gbt-d kap 1-3 · 2017. 11. 24. · grundbau -taschenbuch geotechnische messverfahren arno thut...
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Grundbau -Taschenbuch
Geotechnische MessverfahrenArno Thut
Ausgabe Dezember 2003
Solexperts AGMettlenbachstrasse 25Postfach 122CH-8617 MönchaltorfSwitzerlandFon +41(0) 44 806 29 29Fax +41(0) 44 806 29 [email protected]
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren i
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ...............................................................................................................2
2. Ziel geotechnischer Messungen ..........................................................................3
3. Messgrössen ........................................................................................................ .53.1 Messgrössen im Baugrund ....................................................................................3.1 Messgrössen im Baugrund ....................................................................................3.1 Messgrössen im Baugrund 53.2 Messgrössen während der Bauausführung ........................................................... 63.3 Messgrössen in Tragteilen ..................................................................................... 63.4 Messgrössen bei angrenzenden Objekten ............................................................. 73.5 Messgrössen bei permanenten Bauwerken ........................................................... 83.6 Messgrössen bei Sanierungen von Bauwerken ..................................................... 8
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand ...............................................................4. Messinstrumente, Installation, Aufwand ...............................................................4. Messinstrumente, Installation, Aufwand 94.1 Geodätische Messung .......................................................................................... 94.1.1 Digitale Nivelliergeräte ........................................................................................... 94.1.2 Theodolite ............................................................................................................ 104.1.3 Elektronische Distanzmessung ............................................................................ 104.2 Geotechnische Messungen ................................................................................. 114.2.1 Geotechnische, linienweise und punktuelle Messung ......................................... 114.2.2 Messungen an der Oberfl äche ............................................................................. 134.2.2.1 Distanzmessung mit Messband. .......................................................................... 134.2.2.2 Distanzmessung mit Invardraht (Distometer) ....................................................... 134.2.2.3 Riss-, Fugenmessgerät .......................................................................................4.2.2.3 Riss-, Fugenmessgerät .......................................................................................4.2.2.3 Riss-, Fugenmessgerät 144.2.2.4 Fest installierte Inklinometer ................................................................................4.2.2.4 Fest installierte Inklinometer ................................................................................4.2.2.4 Fest installierte Inklinometer 144.2.2.5 Portable Inklinometer ...........................................................................................4.2.2.5 Portable Inklinometer ...........................................................................................4.2.2.5 Portable Inklinometer 154.2.2.6 Pendel ..................................................................................................................4.2.2.6 Pendel ..................................................................................................................4.2.2.6 Pendel 164.2.2.7 Schlauchwaage .................................................................................................... 164.2.2.8 Setzungen mit Drucksensoren ............................................................................. 174.2.3 Verschiebungsmessungen im Baugrund und im Bauwerk ..................................4.2.3 Verschiebungsmessungen im Baugrund und im Bauwerk ..................................4.2.3 Verschiebungsmessungen im Baugrund und im Bauwerk 174.2.3.1 Bohrlochinklinometer ...........................................................................................4.2.3.1 Bohrlochinklinometer ...........................................................................................4.2.3.1 Bohrlochinklinometer 174.2.3.2 Stangenextensometer ..........................................................................................4.2.3.2 Stangenextensometer ..........................................................................................4.2.3.2 Stangenextensometer 194.2.3.3 Trivec .................................................................................................................... 204.2.3.4 Gleitmikrometer und Gleitdeformeter kombiniert mit Bohrlochinklinometer .......4.2.3.4 Gleitmikrometer und Gleitdeformeter kombiniert mit Bohrlochinklinometer .......4.2.3.4 Gleitmikrometer und Gleitdeformeter kombiniert mit Bohrlochinklinometer 224.2.3.5 Magnetsetzungslot ...............................................................................................4.2.3.5 Magnetsetzungslot ...............................................................................................4.2.3.5 Magnetsetzungslot 224.2.3.6 Metallplatten-Setzungsmessgerät .......................................................................4.2.3.6 Metallplatten-Setzungsmessgerät .......................................................................4.2.3.6 Metallplatten-Setzungsmessgerät 234.2.4 Messung der Porenwasserspannung. .................................................................. 234.2.4.1 Wahl des Messsystems ........................................................................................ 234.2.4.2 Sensoren .............................................................................................................. 254.2.4.3 Einbau von Pegel und Drucksonden .................................................................... 274.2.5 Dehnung- Kraft- und Spannungsmessung .......................................................... 284.2.5.1 Dehnungsaufnehmer ............................................................................................4.2.5.1 Dehnungsaufnehmer ............................................................................................4.2.5.1 Dehnungsaufnehmer 284.2.5.2 Messung der Dehnung mit induktiven Wegaufnehmern ...................................... 294.2.5.3 Hydraulische Ankerkraftgeber, Typ Glötzl ............................................................4.2.5.3 Hydraulische Ankerkraftgeber, Typ Glötzl ............................................................4.2.5.3 Hydraulische Ankerkraftgeber, Typ Glötzl 29
4.2.5.4 Ankerkraftgeber mit DMS .................................................................................... 304.2.5.5 Spannungsmessung, Erddruckaufnehmer ...........................................................4.2.5.5 Spannungsmessung, Erddruckaufnehmer ...........................................................4.2.5.5 Spannungsmessung, Erddruckaufnehmer 304.3 Profi l und Abweichungsmessungen bei Schlitzwänden und Bohrungen ............ 314.3.1 Profi l und Abweichungsmessung bei Grossbohrungen ....................................... 314.3.2 Bohrlochlagevermessung .................................................................................... 31
5. Durchführung der Messung, Berichterstattung ................................................335.1 Manuelle Messungen ........................................................................................... 355.2 Automatische Messanlagen ................................................................................. 355.3 Datenvisualisierungs-Software ............................................................................. 36
6. Fallbeispiele ........................................................................................................386.1 Tiefe Baugruben, angrenzende Gebäude ............................................................ 386.1.1 GSW Berlin, Baugrube, Pfahlfundation ................................................................ 386.1.2 S-Bahnhof Potsdamer Platz, angrenzende Bauwerke ......................................... 446.1.3 Nationalbank, Bratislava, Sohlhebung ................................................................. 476.2 Probeschüttung, Beobachtungsmethode ............................................................ 486.3 Adlertunnel - Sanierung eines Bauwerkes ........................................................... 516.4 Überwachung instabiler Hänge ............................................................................ 556.4.1 Verschiebungsmechanismen ............................................................................... 556.4.2 Lauterbrunnen, Rutschgebiet «Im Ritt», Isenfl uh, automatische Überwachung .. 596.5 Probebelastung an Tragteilen, Pfahlversuche, Deformationsmessungen an
Pfahlfundationen .................................................................................................. 606.5.1 Dehnungsprofi le ................................................................................................... 606.5.2 Punktuelle oder linienweise Messung der Dehnungen ........................................ 616.5.3 Pfahlbelastungsversuch in Vaduz .........................................................................6.5.3 Pfahlbelastungsversuch in Vaduz .........................................................................6.5.3 Pfahlbelastungsversuch in Vaduz 616.5.4 Pfahlbelastungsversuche beim Baulos 2.01 der Zürcher S-Bahn ....................... 63
7. Literatur
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Inhaltsverzeichnis
Geotechnische Messverfahren
1. Einleitung
Die Bemessung von Bauwerken im Grundbau basiert auf den geotechnischen
Kennwerten und Lastannahmen, die sich durch die meist grosse Heterogenität einer
genauen eindeutigen Beurteilung entziehen. Die Interaktion zwischen Baugrund und
Bauwerk kann deshalb meist nur mit Messungen am Bauwerk und im Baugrund
beurteilt werden. In den letzten 25 Jahren konnten, gestützt auf umfassendere
Sondierverfahren, neuen Berechnungsmethoden und nicht zuletzt auf Grund neuer
geotechnischer Messmethoden, wichtige Erkenntnisse in der Geotechnik gewonnen
werden. Die zunehmende Bautätigkeit und, die Beschränkung des zur Verfügung
stehenden Baulandes im städtischen Bereich, erfordert den Bau von Hochhäusern
und tiefen Baugruben, dies unbesehen von schwierigen geotechnischen Konditionen.
Mit der Intensivierung und der Verbesserung der geotechnischen Messverfahren
und der Entwicklung neuer Instrumente wird den Ingenieuren, Geotechnikern und
Geologen ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, das ihnen vertiefte Kenntnisse in
der Geotechnik und im Verhalten von Bauwerkteilen ermöglicht. In der Projek-
tierungsphase können damit zusätzliche Informationen gewonnen werden und in
der Ausführungsphase erlauben sie die berechneten mit den effektiv auftretenden
Grössen zu vergleichen. Die Berechnungsmodelle werden angepasst und bei
geschickter Anordnung der Messquerschnitte sind einerseits bei Grossprojekten
Einsparungen möglich, andrerseits kann bei Überschreiten von Grenzwerten
korrigierend eingegriffen werden.
Im städtischen Bereich besteht die Gefahr, dass bei Baumassnahmen angrenzende
Gebäude in Mitleidenschaft gezogen werden. Im Hinblick auf die Sicherheit und auf
die Beweis sicherung stehen heute für die Beobachtung angrenzender Gebäude
automatische Messsysteme zur Verfügung.
Die kontinuierliche Messung von Setzungen und Verkippungen der Gebäude,
korreliert mit den geotech nischen Messungen im Lockergestein und den Messungen
am Bau werk, erlauben Schlüsse zwischen der Ursache von Schäden und der
jeweiligen Bauphase zu ziehen. Mehrere Fall beispiele zeigen den hohen Stellenwert
solcher Messungen.
Der Sicherheit, dem Schutz von Leben und Gut muss die höchste Priorität
zukommen, die geotechnischen Messungen tragen Wesentliches zu dieser Sicher-
heit bei. Die Stabilität von Hängen beispielsweise wird mit der Überwachung
der Verschiebungen und der Porenwasser spannungen kontrolliert. In kritischen
Situationen hat die auto matische Überwachung hier ebenfalls eine grosse
Bedeutung, sie ermöglicht mit der Festlegung von vorgegebe nen Grenzwerten die
Alarmauslösung für die Evakuierung talseits bewohnter Gebiete oder für die
Sperrung von öffentlichem oder privatem Verkehr.
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1. Ziel geotechnischer Messungen
2. Ziel geotechnischer Messungen
Zur Beurteilung einer Baumassnahme werden sämtliche Messungen an der
Oberfl äche, im Baugrund, am Bauwerk und den angrenzenden Objekten
miteinbezogen, sie stehen alle in einer Interaktion und nur die Gesamtheit aller
Messungen geben einen Überblick über das Kräftespiel [1]. Selbstverständlich muss
der Messaufwand dem Gefährdungsder Messaufwand dem Gefährdungsder Messaufwand dem Gefähr potential und der Grösse und Wichtigkeit des dungspotential und der Grösse und Wichtigkeit des dungs
Projektes angepasst werden.
In der Geotechnik muss sich der Ingenieur auf Annahmen in Bezug auf die Kenn-
werte wie Kohäsion c, Reibungswinkel, Steifezahl und Konsolidationsverhalten
abstützen. Er kann diese Annahmen nicht mit der gleichen Sicherheit wie der Stahl-
und Betonbauer treffen, er hat sich mit einem natür lichen Material und zum Teil
mit grossen Heterogenitäten auseinanderzusetzen. Auch intensive Sondierungs-mit grossen Heterogenitäten auseinanderzusetzen. Auch intensive Sondierungs-mit grossen Heterogenitäten auseinander
kampagnen sind nur Nadelstiche und die geotechnischen Kennwerte können
innerhalb weniger Meter ändern. Entsprechend treten im Grundbau häufi g Über-innerhalb weniger Meter ändern. Entsprechend treten im Grundbau häufi g Über-innerhalb weniger Meter ändern. Entsprechend treten im Grundbau häufi g Überinnerhalb weniger Meter ändern. Entsprechend treten im Grundbau häufi g Über-innerhalb weniger Meter ändern. Entsprechend treten im Grundbau häufi g Über-innerhalb weniger Meter ändern. Entsprechend treten im Grundbau häufi g Über
raschungen ein. Die gezielte Anordnung von Messquerschnitten lassen solche
UnregelmässigUnregelmässigUnregel keiten früh erkennen, und es kann, um schwierige Situationen zu
vermeiden, korrigierend eingegriffen werden.
Die Ziele der geotechnischen Messungen sind zusammenfassend:
Instrumentierung in der Sondierphase
Für die Projektierung müssen in der Sondierphase messtechnisch vor allem die
Grundwasser verhältnisse abgeklärt werden. In Situ Versuche geben zusammen
mit den Laborversuchen die Grundlage für die geotechnischen Werte. In einzelnen
Fällen gilt es abzuklären, ob nicht schon vor der Erstellung des neuen Bauwerkes
Verschiebungen hervorgerufen durch Grundwasser absenk ungen oder durch instabile
Hänge in unmittelbarer Nähe im Gange sind.
Sicherheit
Dem Aspekt der Sicherheit muss eine grosse Priorität zugeordnet werden.
Es muss die Sicherheit des Bauwerkes und der angrenzenden Bauten gewährleistet
sein. Folgeschäden am Bauwerk und angrenzenden Objekten ziehen kostspielige
Aufwendungen für die Sanierung und/oder die Wiederherstellung nach sich.
Qualitätskontrolle
Mit den begleitenden Messungen und Kontrollen vom Beginn des Baues bis
zu seiner Vollendung kann die geforderte Qualität geprüft und nachgewiesen
werden. Bauwerke im Untergrund, für die Bohrungen erforderlich sind, müssen
beispielsweise bezüglich der vorgegebezüglich der vorgegebenen Masse wie Richtung und Profi l
kontrolliert werden.
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1. Ziel geotechnischer Messungen
Instrumentierungen bei der Beobachtungsmethode
Bei geotechnisch schwierigen Konditionen und komplexen Bauwerken, bei denen
die Interaktionen Bauwerk-Lockergestein nur schwierig rechnerisch nachzuvollziehen die Interaktionen Bauwerk-Lockergestein nur schwierig rechnerisch nachzuvollziehen die Inter
sind, drängen sich Probebauwerke auf, um im Massstab 1:1 das Verhalten des
Bauwerkes und des Baugrundes zu untersuchen und die Bemessung vorzunehmen.
Überprüfung der Berechnungen und Voraussagen
Mit dem gezielten Ein satz der geotechnischen Messungen können die progno-
stizierten Beanspru chun gen des Baugrundes und das Tragverhalten des Bauwerkes
überprüft werden. Sie erlauben den Projektierenden wirtschaft lich zu bauen und
im Bedarfsfalle korrigierend ein zugreifen. Bei einzelnen Baugliedern wie Anker und
Pfähle kann das Tragverhalten nur durch Zug und/oder Belastungsversuche im
Massstab 1:1 ermittelt werden.
Die Bedeutung der geotechnischen Messungen und ihr Stellenwert sind heute
anerkannt. Sie kommen, besonders aus sicherheitstechnischen Überlegungen,
iimmer häufi ger zur Anwendung. Der laufenden Auswertung der erhobenen immer häufi ger zur Anwendung. Der laufenden Auswertung der erhobenen iimmer häufi ger zur Anwendung. Der laufenden Auswertung der erhobenen i
Messdaten ist eine grosse Bedeutung zuzumessen. In der Projektierungsphase
müssen die Instrumentierungen in projektrelevanten Bereichen schon eingeplant
werden. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Planung ist die Festlegung der
entsprechenden Messgrenzwerte und der möglichen Schadenszenarien und darauf
basierend die Erstellung des Sicherheitsplanes. Er enthält ein Flussdiagramm mit
den verantwortlichen, zu benachrichtigenden Ämtern, Planern und Unternehmern
und einen Massnahmenkatalog beim Eintreten kritischer Situationen.
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1. Ziel geotechnischer Messungen
3. Messgrössen
Zum Verständnis der Interaktion Baugrund / Bauwerk und angrenzende Bauten
werden die Messgrössen der einzelnen betroffenen Bereiche separat ermittelt, und
anschliessend in der Gesamtanalyse beurteilt. Die Messgrössen sind je nach Bereich
des Bauwerkes aber auch je nach Aufgabenstellung verschieden
3.1 Messgrössen im Baugrund
Sämtliche Bauwerke sind entweder im Lockergestein oder Fels fundiert oder werden
direkt in diesen Formationen erstellt. Bei Erddämmen wird das Lockergestein selbst
als Baumaterial ver wendet. Die Kenntnis der Stratigraphie und der geotechnischen
und hydro geo logischen Parametern sind die Grundlagen für ihre Dimensionierung.
Jeder Eingriff in den Baugrund hat eine Veränderung der Spannungen im Boden
und, wenn vorhanden, eine Veränderung der Porenwasserdrücke zur Folge.
Die wesentlichen geotechnischen Messgrössen sind aus den folgend kurz beschrie-
be nen bekannten Zusammenhängen in der Bodenmechanik abzuleiten.
Im ursprünglichen Zustand wird der Boden vereinfachend als Halb raum aus elastisch
isotropem Material idealisiert. Oberhalb des von Grundwasserspiegels wird mit dem
Raumgewicht, der Tiefe und dem Ruhedruckbeiwert der Hauptspannungszustand
be rech net. Er entspricht dem totalen Spannungszustand. Ist ein Grundwasserspiegel
vorhan den, wirkt der hydrostatische Wasser druck, der Porenwasserdruck.
Die Differenz aus der totalen Spannung und dem Porenwasser druck wird als
effektive Spannung bezeichnet.
Durch die Belastung, beispielsweise durch Fundationen oder Dämme bzw. durch die
Entlastung beim Aushub von Baugruben wird der vorhandene Spannungszustand
verändert und verursacht Formänderungen. Die Abhängigkeit zwischen Spannungs-
änderung und Verformung wird mit dem Verformungsmodul defi niert.
Die beschriebenen wesentlichen Zusammenhänge zeigen die wichtigsten
Messgrössen, die bei Baumassnahmen im Lockergestein mit geotechnischen
Instrumentierungen ermittelt werden:
• Spannung
• Porenwasserdruck
• Verschiebungen
Verschiebungen
Spannungsänderungen im Baugrund sind schwer zu ermitteln, von primärem
Interesse sind jedoch die hervorgerufenen Verschiebungen, sie sind in der
Geotechnik die wichtigste Mess grösse.
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1. Ziel geotechnischer Messungen
Porenwasserdruck
Für die Projektierung ist die Kenntnis des Porenwasserdruckes und die Klärung,
ob hydrostatische oder ev. auch artesische Verhältnisse herrschen die wesentliche
Grundlage. In der Bauphase, aber auch zum Teil bei permanenten Bauwerken,
ist die Messung des Porenwasserdruckes z.B. für die Beurist die Messung des Porenwasserdruckes z.B. für die Beurist die Messung des Porenwasser teilung der Gefahr des druckes z.B. für die Beurteilung der Gefahr des druckes z.B. für die Beur
hydraulischen Grundbruches oder zur Kontrolle des Konsolidationsvorganvorganvor ges
herbeizuziehen.
Spannungen
Die Messung der primären Spannungen und auch der Spannungsänderungen im
anstehenden Lockergestein ist mit Sensoren schwer zu bewerkstelligen. Hingegen
werden sie mit Druckgebern in den Trennfl ächen zwischen Bauwerk und Baugrund
zur Kontrolle der Sohldruckverteilung bei Fundamenten oder zur Kontrolle des Erd-
druckes hinter Stützbauwerken herbeigezogen.
3.2. Messgrössen während der Bauausführung
Für Baugrubenwände und Pfähle sind grosskalibrige Bohrungen erforderlich, sie
müssen für die Gebrauchstauglichkeit des Bauwerkes Qualitätsanforderungen
erfüllen. Bohrungen unter Bentonitsuspension als Stützfl üssigkeit können bezüglich erfüllen. Bohrungen unter Bentonitsuspension als Stützfl üssigkeit können bezüglich erfüllen. Bohrungen unter Bentonit
der vorgegebenen, vertikalen Rich tung abweichen und die Profi le bei schlechter
Stützwirkung der Suspension nicht masshaltig sein. Zur Kontrolle werden deshalb
die Vertikalität und die Profi le z.T. systematisch oder sporadisch ermittelt. Bei der
Erstellung langer Ankerbohrungen ist auf die Einhaltung des Azimutes und auf die
Geradlinigkeit zu achten, beide Grössen werden zu Beginn einer Bau massnahme
kontrolliert.
3.3 Messgrössen in Tragteilen
Für den Nachweis bzw. für die Kontrolle der Beanspruchung des Bauwerkes
gilt auch hier, dass Spannungen nur schwer zu ermitteln sind, jedoch über die
bekannten Stoffgesetze (E-Modul, Spannung, Dehnung) mit der Messung der
Dehnungen auf sie geschlossen werden kann. Im Folgenden sind die wesentlichen
Messgrössen aufgeführt:
• Dehnung
• Krümmung (Rotation)
• Biegelinie
• Neigungsänderung
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1. Ziel geotechnischer Messungen
• Verschiebung des gesamten Bauwerkes
• Temperatur
• Ankerkraft
• Steifekraft
Die Messung der Dehnungen im Beton und Stahl erfordert infolge der hohen
E-Moduli eine hohe Genauigkeit. Um die Einfl üsse von Temperaturveränderungen
im Bauwerk und im Dehnungsgeber selbst zu kompensieren, muss parallel die
Temperaturveränderung ermittelt werden.
Die Biegelinie wird mit dem weitest verbreiteten geotechnischen Messinstrument,
dem Bohrloch inklinometer ermittelt.dem Bohrloch inklinometer ermittelt.dem Bohrloch
Für Neigungsänderungen des Bauwerkes stehen fest installierte Klinometer zur
Verfügung, sie sind aber zum Teil stark temperaturabhängig und häufi g nicht
langzeitstabil. Verschiebungen werden im Regelfall geodätisch, mit Theodoliten und
Nivelliergeräten erfasst.
Mit der Kontrolle der Ankerkräfte und Steifenkräfte wird auf den auf die Bau gruben-
umschliessung wirkenden Erd- und Wasserdruck geschlossen.
3.4 Messgrössen bei angrenzenden Objekten
In stark überbauten Gebieten können angrenzende Bauwerke durch Mass nahmen
wie Grundwasserabsenkung, Injektionen, Pfahlarbeiten und speziell Ankerarbeiten
etc. in Mitleidenschaft gezogen werden. Es sind die differentiellen Setzungen, die
Schiefstellung der Gebäude, die Schäden verursachen und deshalb auch primär
ermittelt werden.
Die Hauptmessgrössen sind deshalb:
• Setzungen Δz, insbesondere differentielle SetzungenΔz, insbesondere differentielle SetzungenΔ
• LageverschiebungenΔx, Δx, Δ Δy undΔy undΔ ΔzΔzΔ
• Neigungsänderungen an Stelle der differentiellen Setzungen
• Längenänderungen über Fugen oder bestehenden Rissen
Die Messgrössen Δx, Δx, Δ Δy und Δy und Δ Δz werden geodätisch erhoben. In kritischen Δz werden geodätisch erhoben. In kritischen Δ
Bauzuständen und speziell bei verschiedenen ineinandergreifenden Bautätigkeiten
sind für die Beurteilung der kausalen Zusammenhänge zwischen den einzelnen
Massnahmen und den Beobachtungen automatische permanente Messungen
angezeigt. Automatische Theodolite ATR (Automatic Target Recognition) und
motorisierte Nivelliergeräte erfüllen diese Aufgaben. Bei schlecht zugänglichen
Orten kommen zur Ermittlung der differentiellen Setzungen Schlauchwaagen zur
Anwendung.
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1. Ziel geotechnischer Messungen
3.5 Messgrössen bei permanenten Bauwerken
Die vorgängig aufgeführten Messungen und Kontrollen betreffen zeitlich begrenzte
Bauzu stände. Sicherungsmassnahmen mit Stützwänden und/oder Anker, Stabi-Bauzu stände. Sicherungsmassnahmen mit Stützwänden und/oder Anker, Stabi-Bauzu
lisierungen von Rutschhängen und in einzelnen Fällen auch unterirdische Bauwerke
müssen aus Sicherheitsgründen permanent überwacht werden. Die Messung
der Ankerkraft am permanenten vorgespannten Anker mit seiner beschränkten
Lebensdauer ist beispielsweise Vorschrift. Unterirdische Bauwerke im Grundwasser
müssen bei ungenügender Aufl ast des Bauwerkes mit Zugpfählen oder Ankern
gegen den Auftrieb gesichert werden. Wird aus wirtschaftlichen Gründen darauf
verzichtet, muss der Sohlwasserdruck permanent überwacht werden. Dies kann
der Fall sein, wenn beispielsweise nur das 50jährige Hochwasser den Grund-
wasserspiegel unzulässig erhöht und das Bauwerk gefährdet. Beim Eintreten dieses
Extremzustandes wird das Untergeschoss gefl utet.
Messgrössen:
• Lageverschiebungen
• Horizontale und axiale Verschiebungen im Baugrund
3.6 Messgrössen bei Sanierungen von Bauwerken
Historisch wertvolle Bauwerke, das bekannteste unter ihnen der Turm von Pisa, Historisch wertvolle Bauwerke, das bekannteste unter ihnen der Turm von Pisa, H
müssen mit fortschreitender Gefährdung saniert werden. Dies betrifft auch alte
Kirchen wie die Dreifaltigkeitskirche in Konstanz und z.B. das Reichstagsgebäude in
Stockholm. Die Sanierung betreffen Injektionen, Unterfangungen mit Mikropfählen
und Ähnliches. Zur Sicherstellung und zur Kontrolle der Sanierungsmassnahmen
müssen Messungen angeordnet werden. Der Schür mannbau in Bonn ist ein Beispiel
einer Sanierung an einem neuzeitlichen Bau.
Gemessen werden:
• Verschiebungen, bzw. Setzungen, insbesondere differentielle Setzungen
• Schiefstellungen mit Pendel ev. Neigungssensoren
Da bei Eintreten von zusätzlichen Verschiebungen sehr schnell eingegriffen werden
muss, kommen meist automatische Anlagen zur permanenten Messung zur
Anwendung.
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1. Ziel geotechnischer Messungen
Arno Thut, Solexperts AG
4. Messinstrumente,Installation,Aufwand
4.1 GeodätischeMessung
In der Geodäsie [2] werden die Verschiebungen bei gezielt angeordneten Punkten in
x, y und z ermittelt, sie sind ein wesentlicher Bestandteil zur Kontrolle der geo-
technischen Messungen und bei der Bauwerksüberwachung.
4.1.1 DigitaleNivelliergeräte
Mit den Präzisionsnivelliergeräten (Bild 1) werden Setzungen Δz im Bereich zwischen
0.1 mm bis 1 mm gemessen. Falls sehr plötzlich auftretende Setzungen zu erwarten
sind, oder falls mehrere Baumassnahmen ineinanderübergreifend zur Ausführung
kommen, sind automatische Messungen mit motorisierten Digitalnivelliergeräten zu
empfehlen. Durch die kontinuierliche Messung ist jeder Bauphase die entsprechende
Setzung zuzuordnen. Dies kann im Hinblick auf spätere gerichtliche Abklärungen von
grossem Vorteil sein. Die Messsysteme finden häufig Anwendung bei der Über-
wachung angrenzender Gebäude und bei Unterfangungsarbeiten. Bei Nebel und
schlechter Witterung ist die Anwendung begrenzt, in der Nacht müssen die Strich-
codelatten beleuchtet werden.
Die Messwerte müssen temperaturkompensiert werden, und es können Refraktions-
erscheinungen eintreten.
Bild 1 Motorisiertes Digitalnivelliergerät
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 9
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
4.1.2 Theodolite
Mit Präzisionstheodoliten können Genauigkeiten je nach Distanz im Millimeterbereich
für Δx, Δy undΔz erfasst werden. Höhere Genauigkeiten unter 1 mm bei kleineren
Distanzen bis 100 m sind durch automatische motorisierte, das Ziel selbst suchende
Theodoliten zu erreichen (Bild 2). Die Messwerte sind mit den Meteowerten, Druck
und Temperatur, auszugleichen. Auch hier sind Refraktionseinflüsse zu berück-
sichtigen.
Die automatischen Theodolite kommen vor allem bei der Überwachung von
angrenzenden Gebäuden bei tiefen Baugruben, Untertunnelung und bei der
Überwachung von Rutschhängen zur Anwendung. Wichtig ist der Sichtkontakt, bei
Nebel und schlechten Witterungsbedingungen treten Messausfälle auf.
4.1.3 ElektronischeDistanzmessung
Der Hand-Lasermeter DISTO der Firma Leica (Bild 3) ist ein preisgünstiger und
handlicher Entfernungsmesser (Abmessungen: 223 mm x 78 mm x 51 mm), mit dem
ohne Reflektor in einem Bereich bis über 50 - 100 m Distanzen gemessen werden
kann.
Die Genauigkeit beträgt 0.5 bis 5 mm und ist distanzabhängig. Die Automatisierung
ist einfach, beschränkt sich jedoch auf einzelne Messdistanzen. Die Anwendung
kann durch die berührungslose Messung und die Automatisierung vielseitig sein, z.B.
auch Überwachung von Rutschhängen.
Bild 2 Motorisierter Theodolit
Bild 3 Elektronische Distanzmessung
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4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
4.2 GeotechnischeMessungen
Für die Auswahl der Messinstrumente muss die maximal zu erwartende GrösseFür die Auswahl der Messinstrumente muss die maximal zu erwartende Grösse
des Messwertes bekannt sein, daraus wird auf das Messinstrument und die
erforderliche Genauigkeit geschlossen. Wenn immer möglich, sollen bei der Planung
geotechnischer Messungen die folgenden Kriterien berücksichtigt werden:
• Bei den Messungen ist Redundanz anzustreben, es sollte möglichst nicht nur ein
einzelner Geber isoliert eingebaut werden, sondern es ist anzustreben, dass sich
Sensoren gegenseitig ergänzen und bestätigen.
• Möglichst ausbaubare rekalibrierbare Messsysteme anwenden, dies gilt speziell
für elektrische Sensoren mit zum Teil begrenzter Lebensdauer und der Gefahr der
Zerstörung durch Überspannung (Blitz).
4.2.1 Geotechnische,linienweiseundpunktuelleMessung
Je nach Messaufgabe steht eine Vielzahl von Messinstrumenten und Messverfahren
zur Ver fügung. Den Begriff der linienweisen Beobachtung hat K. Kovári [3]
ausführlich beschrieben. Bei der linienweisen Beobachtung werden die Verschie-
bungsgrössen, die Längenänderungen und /oder Winkeländerungen, z.B. Meter für
Meter entlang von Messlinien ermittelt. Die Verteilung dieser Grössen entlang von
Messlinien geben Aufschluss über örtliche Zonen höherer Kompressibilität, örtliche
Spannungskonzentrationen oder Riss in Bauwerken, z.B. infolge zu hoher Zugkräfte.
Zeit t
x
Tief
e z
x Anker
Bild 4 Linienweise und punktuelle Messung
Am Beispiel einer Hangüberwachung (Bild 4) in einem instabilen Zustand sind
die Vor- und Nachteile einer linienweisen und einer punktuellen Beobachtung
gegenübergestellt. Die Messung mit einem Bohrlochinklino meter (Bild 4a) ist eine
typische weitverbreitete linienweise Messung. Mit der schrittweisen Messung der
Neigungs änderung bezogen auf beispielsweise eine Länge von 1.0 m und dies Meter
für Meter lassen sich bei einem biaxialen Sensor die Horizontalverschiebungen
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 11
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
in der Ebene senkrecht und parallel zum Hangverlauf ermittelln. Das dargestellte
Messresultat ist die aufsummierte Verteilung der Horizontalverschiebungen entlang
der Messlinie. Es zeigt auf, dass ab der Tiefe t keine Verschiebungen stattfinden,
sich hingegen in der Tiefe t eine Gleitfläche gebildet hat. Darüber liegend bleibt die
Horizontalverschiebung konstant, das Paket gleitet ohne weitere Formänderung als
Ganzes hangab wärts. Die Aufsummierung der Einzelwerte ergibt die horizontale
Verschiebungs kompo nente (x) des Verschiebungsvektors an der Oberfläche.
Demgegenüber steht die punktweise Beobachtung der hori zontalen Verschiebungs-
kompo nente (Bild 4b) wie sie mit Hilfe eines Einfachstangen extensometers
ermittelt wird. Beim Extensometer bestehend aus dem Anker und dem in einem
Schutzrohr frei beweglichen Gestänge wird im Mess kopf an der Hangoberfläche die
Relativverschiebung zwischen Anker und Oberfläche gemessen. Ist der Anker des
Extensometers ausserhalb der Rutschfläche, kann er als Fixpunkt betrachtet werden,
und die ermittelte Verschiebung entspricht demselben Wert (x) wie er mit dem
Inklinometer ermittelt wurde.
Ob die Annahme bezüglich dem Fixpunkt stimmt, und der Messwert (x) effektiv die
Grösse der Hangverschiebung darstellt, d.h. die Annahme des Fixpunktes relevant
ist, muss mit geodätischen Messungen überprüft werden
Dieses Beispiel zeigt die Vor- und Nachteile der linienweisen und punktuellen Beob-
achtung. Mit der linienweisen Messung kann die Tiefe der Gleitebene ermittelt
werden. Sind Profile mit mehreren Messlinien vorhanden, kann auch das Volumen
der Rutschmasse berechnet werden. Der Nachteil dieser Art Messung ist, dass
sie nur in gewissen Zeitintervallen erfolgt und dass sie durch Handmessungen
ausgeführt, kostenintensiv sein kann.
Demgegenüber gibt die punktuelle Messung mit dem Einfachextensometer keinen
Aufschluss über die Lage der Gleitebene. Der wesentliche Vorteil liegt jedoch darin,
dass die Messung einfach erfolgt und im Bedarfsfalle automatisiert werden kann,
d.h. dass der zeitliche Verlauf der Verschiebung erfasst wird. Dies ist im Hinblick
auf den Sicherheitsaspekt wichtig, da bei potentiellen Beschleu nigungen bei der
Festlegung von Grenzwerten Alarme ausgelöst werden können.
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 12
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
4.2.2 MessungenanderOberfläche
4.2.2.1 DistanzmessungmitMessband
Mit Feder gespanntes Stahlmessband bis Längen von 30 m gelocht in 10 cm
Abständen
(Bild 5), es wird vor allem im Tunnel für Konvergenz messung verwendet. Kann nicht
automatisiert werden.
Technische Daten:
• Distanzlänge: 15 und 30 m
• Messbereich: 10 mm
• Genauigkeit, je nach Distanz: 0.1 bis 1 mm
Anwendung: Messung von Relativverschiebungen zwischen zwei Punkte.
1 2
6
58
4
7
32 1
1 Konvergenzmessbolzen2 Kugelgelenk mit Anschlussstück3 Stahlmassband mit Lochung4 Arretierungsstift
5 Mechanische Messuhr6 Spannvorrichtung7 Massband aufgerollt8 Gehäuse mit Spannungsfeder und Markierung
.
4.2.2.2 DistanzmessungmitInvardraht(Distometer)
Messgerät mit Präzisionskraftmessung für die Spannung des Invardrahtes (Bild 6).
Technische Daten:
• Distanzlänge: 1 bis 50 m
• Messbereich: 100 mm
• Genauigkeit: bis 20 m 0.02 mm
Pro Messstrecke ist 1 Messdraht aufzubewahren. Automatisierung nicht möglich.
Anwendung: Genaue Messung von Relativverschiebungen zwischen zwei Punkten.
1
3 6 4 6 7 5 8
2
1 Messbolzen2 Messbolzen3 kardanischem Anschlussgelenk4 Invar Draht
5 Distometer6 Kupplung7 Halter für Drahtkupplung
Bild 5 Konvergenzmessgerät
Bild 6 Distometer
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 13
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
4.2.2.3 Riss-,Fugenmessgerät
Messung der Änderung von Rissöffnungen in einer, zwei oder 3 senkrecht
zueinander stehenden Ebenen (Bild 7). Ablesung mit portabler Messuhr oder mit
potentiometrischen oder induktiven Wegauf nehmern. Automatisierung möglich.
Technische Daten:
• Messbereich: 5 bis 100 mm
• Messgenauigkeit: 0.01 bis 0.1 mm
Anwendung: Riss- und Fugenüberwachung an Gebäuden, Kluftmonitore in
instabilen Felshängen.
4.2.2.4 FestinstallierteInklinometer
Messung der Neigungsänderung, Genauigkeit ab 0.1 mm/m je nach Neigungsauf-
nehmer und Messbereich. Alle Geber sind mehr oder weniger temperaturabhängig
und teilweise temperaturkompensiert, der Langzeitstabilität ist eine besondere
Beachtung zu schenken. Automatisierung möglich.
Bild 7 Riss- und Fugenmessgerät
Wegaufnehmer
Dehnungsfuge
y-Richtung
z-Richtung
x-Richtung
Verformbare Schicht
Fels
uo
Bild 8 Biaxialer Neigungssensor Nivel 20 Bild 9 Rotation eines Blockes auf verformbarer Schicht
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 14
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
Ein biaxialer Sensor hoher Genauigkeit ist das Nivel 20 (Bild 8) von Leica mit einer
Genauigkeit von 0.015 mm/m bei einem Messbereich von ±1.5 mm/m.
Weitere Modelle Sensorbox SB2-NG-U (Dr. Seitner), LCI-360 (Firma Jewell) und GD-
NS3 (GeoDyn) sind in Bezug auf Genauigkeit und Langzeitstabilität Gegenstand von
laufenden Untersuchungen [4].
Es ist zu beachten, dass bei der punktuellen Anordnung der Geber bei nicht biege-
steifen Strukturen die Interpretation in Bezug auf den Bewegungsmechanismus
schwierig ist.
Anwendung: Überwachung von Schiefstellung von Gebäuden, Überwachung von
Rotationsbewegungen (Bild 9) von absturzgefährdeten Blöcken.
4.2.2.5 PortableInklinometer
Das portable Instrument wird auf Präzisionsmessstellen aufgesetzt (Bild 10), durch
Messungen auf Umschlag (180°) kann der Einfluss der Temperatur eliminiert werden.
Mit der entsprechenden Kalibrierlehre (Bild 11) ist die Langzeitüberwachung gewähr-
leistet. Automatisierung nicht möglich.
Technische Daten:
• Messbasis: 200 mm und 1000 mm
• Genauigkeit: 0.01 mm/m
• Messbereich: ± 50 mm/m
Anwendung: Neigungsänderungen an Gebäude, Brückenpfeilern, etc
Bild 10 Portables Inklinometer BL 200A
Bild 11 Kalibrierlehre für Inklinometer BL 200A
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 15
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
4.2.2.6 Pendel
Der Pendel besteht aus einem durch ein Gewicht gespannten
Draht oder aus einem Gestänge mit Gewicht. Die Fixierung des
Drahtes im höchsten Punkt wird durch eine Drahtklemme bewerk-
stelligt. Beim Gestängependel gewährleistet die Fixierung an einem
Kardangelenk das zwängungsfreie Auslenken. Die Auslenkung
wird bei manuellen Messungen mit einem Koordiskop oder elek-
trisch mit optischen Geräten gemessen. Beim Gestängependel
(Bild 12) erfolgt diese Messung mit berührungslosen Wegauf-
nehmern.
Technische Daten Gestängependel:
• Messgenauigkeit: 0.1 mm
• Messbereich: 5 bis 20 mm
Anwendung: Kontrolle der Schiefstellung von Gebäuden
beispielsweise bei Unterfangungsarbeiten. Automatisierung
möglich.
4.2.2.7 Schlauchwaage
Interface mitBlitzschutz
Busleitung
Schlauchwaage
Datenerfassung
SchlauchwaageReferenz
Die Schlauchwaage (Bild 13) ist ein elektronisch-hydraulisches Setzungsmess-
system, das nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren arbeitet. Für die
Messung wird das Referenzmessgerät beste hend aus einem Plexiglasbehälter
ausserhalb der Setzungszone installiert, ein Schlauch system gefüllt mit Frost-
schutzflüssigkeit verbindet mehrere Gefässe. Ein zweiter Schlauch über dem Flüssig-
keitspegel verbindet die Systeme, um den baro metrischen Druck auszugleichen.
Setzt oder hebt sich der Messpunkt gegenüber dem Referenzpunkt, verändert
sich der Flüssig keitsspiegel. Die Veränderung des Spiegels wird meist über die
Auftriebsmessung an einem Schwimmer ermittelt. Die einzelnen Instru mente
werden über Kabel mit der automatischen Mess zentrale verbunden. Beim Einbau
des Systeme ist darauf zu achten, dass sich in der Flüssigkeitsleitung keine Luft-
einschlüsse befinden (Temperatureinfluss verstärkt sich dadurch).
Gewicht
Kragarm mitberührungslosemWegaufnehmer
Stahlplatte
Gestänge
SensorkabelMesselementmit Verstärker
Konsole fürWandmontage
Gehäuse Auftriebs-Körper
Bild 12 Gestängependel
Bild 13 Schlauchwage
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4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
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Technische Daten:
• Messbereich: 50 mm bis 200 mm
• Genauigkeit: Je nach Messbereich 0.5 bis 1 mm
Anwendung: Setzungsmessungen an Gebäuden
4.2.2.8 SetzungenmitDrucksensoren
Beim Messprinzip wird ein Drucksensor mit kleinem Messbereich über eine
Hydraulikleitung mit Frostschutzflüssigkeit gefüllt mit einem Druck beaufschlagt und
mit einem Behälter ausserhalb des Setzungsbereiches verbunden. Setzungen und
Hebungen haben eine Druckerhöhung bzw. Druckverminde rung zur Folge.
Technische Daten:
• Messbereich: Abhängig vom Druckbereich des Sensors
• Messgenauigkeit: 0.6 % des Druckbereiches.
Anwendung: Setzungsmessungen an der Oberfläche und in Bohrlöchern
4.2.3 VerschiebungsmessungenimBaugrundundimBauwerk
4.2.3.1 Bohrlochinklinometer
Mit dem Bohrlochinklinometer [5] mit einer Länge von 0.5 oder 1.0 m (Bild 14) wird
mit der Ermittlung der Neigungsänderungen bezüglich der Vertikalen , d.h. durch die
Anwendung der Erdbeschleunigung die Auslenkung in der vertikalen Ebene ermittelt.
• Es sind Sonden für vertikale und horizontale Bohrungen im Handel.
In den vertikalen Bohrungen wird in zwei senkrecht zueinander stehenden
Ebenen gemessen, bei der Horizontalsonde wird nur in der vertikalen Ebene
gemessen.
Bild 14 Bohrlochinklinometer und Rillenrohr mit Teleskopkupplung für Gleitmikrometer
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 17
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
Diese Sonden sind seit mehr als 25 Jahren in Anwendung, weit verbreitet und
bewährt. Die Vertikalsonden sind meist biaxial, es sind zwei Inklinometer in zwei
Ebenen um 90° gegen einander orientiert eingebaut, es wird unterschieden
zwischen den Achsen A und B. Mehrheitlich werden Servoinklinometer
verwendet, eine Masse wird mit einer Kraft in der vertikalen Ebene gehalten,
diese Kraft ist proportional zur Neigung und wird gemessen.
Technische Daten:
• Länge der Sonden: 500 mm und 1000 mm
• Messbereich: ± 30° und ±60°
• Maximale Tiefe: 100 m
• Messgenauigkeit: 1 bis 2 mm pro 10 m
Die Führung der Sonde wird mit Rillenrohren mit Aussendurchmessern von 50 mm,
70 mm oder 84 mm gewährleistet. Beim Einbau der Messrohre wird darauf geachtet,
dass ein Rillenpaar in der Hauptbewegungsrichtung eingebaut wird, dies ist
Richtung A.
EinbauderMessrohre
Beim Einbau der Messrohre sind folgende wichtige Punkte zu beachten:
• Bei der Installation keine Torsionskräfte auf die Rohre geben, Gefahr einer
Verdrehung der Rillen, d.h. das Azimut der Rillen am Kopf des Messrohres stimmt
mit dem Azimut am Fuss des Messrohres nicht überein. Auf jeden Fall ist vor der
Initialmessung der Verlauf des Azimutes entlang den Rillen zu ermitteln, denn
auch bei sorgfältigem Einbau ist eine Verdre hung infolge Fabrikation möglich.
• Der Ringraum zwischen dem Messrohr und der Bohrlochwandung sollte je
nach der Kom pres sibilität des Untergrundes mit reiner Zementsuspension oder
mit Ton-Zement-Wasser Suspen sion verfüllt werden. Das Verfüllen muss mit
einem Injektionsschlauch oder Gestänge vom Bohrloch fuss aus erfolgen.
DurchführungderMessung
Die Positionierung der Sonde alle 0.5 oder 1.0 m (je nach Sondenlänge) erfolgt mit
Hilfe des markierten Sondenkabels in Bezug auf den Kopf des Messrohres. Gemes-
sen wird die Neigungsänderung in Schritten von 0.5 bis 1.0 m bezüglich der Initial-
messung, daraus wird die horizontale Verschiebung ermittelt. Besonders bei tiefen
Messrohren ist die Positio nierung der Sonde nur begrenzt reproduzierbar, und es
können Fehler entstehen, im weiteren führen Setzungen im Boden zu Setzungen des
Messkopfes, die bei der Positionierung der Sonde berücksichtigt werden müssen.
Mit dem parallelen Versetzen eines Einfachextensometers über die gesamte Länge
des Inklinometerrohres in Gebieten mit grossen Setzungen kann der Setzungswert
ermittelt werden.
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 18
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
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Die Messungen erfolgen immer in 2 Lagen, d.h. die Sonde wird nach der ersten
Messung in Richtung A um 180° gedreht und die Messung wiederholt, damit werden
Temperatur- und Sondeneinflüsse eliminiert.
Anwendungen:
• Biegelinie bei Baugrubenumschliessungen
• Horizontalverschiebungen bei instabilen Hängen
• Vertikalverschiebung unter Dämmen (Horizontalinklinometer)
• Vertikalitätsprüfung von Bohrungen und Grossbohrgeräten
Für die automatischen Messungen sind Ketteninklinometer im Handel.
4.2.3.2 Stangenextensometer
Der Stangenextensometer (Bild 15) besteht aus dem Anker mit einer Länge von
25 cm bis 100 cm, dem daran fixierten Messgestänge aus rostfreiem Stahl oder
Glasfaser, das in einem Kunststoffrohr frei gleiten kann. Das Messgestänge versehen
mit einem verstell baren Tastbolzen endet im Messkopf. Das Instrument wird nach
dem Einbau im Bohrloch einzementiert, damit sind der Anker und der Messkopf
fixiert. Mit einer Messuhr oder mit Weg aufnehmern wird die Relativverschiebung
zwischen Anker und Messkopf gemessen. In einer Bohrung können je nach
Durchmesser (48 -116 mm) 1 bis 12-fach Extensometer eingebaut werden.
Messungmechanischoder elektrisch
fixierterMesskopf
Injektions-Gut
fixierterAnkerstab
Bild 15 Einfach Stangenextensometer
• Messbereich: Messuhr 50 mm
• Wegaufnehmer: 20, 50 oder 100 mm
• Genauigkeit: 0.1 mm
Einbau
Die Auszementierung muss immer vom Bohrlochtiefsten aus geschehen. Bei
Setzungsmessungen und in stark kompressiblen Böden darf das Instrument und die
Mischung nicht versteifend wirken, Pfahlwirkung ist zu verhindern.
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 19
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
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Die Kompressibilität der Zementierung kann mit dem Anteil Zement in der Bentonit-
Suspension gesteuert werden.
Anwendungen:
• Setzungsmessungen im Baugrund
• Verschiebungsmessungen im Tunnelbau
• Verschiebungsmessungen bei der Überwachung der Hangstabilität im Fels.
Im Lockergestein ist die Einsatzmöglichkeit bei grossen Scherverformungen
beschränkt.
Automatisierung möglich.
4.2.3.3 Trivec
Die Ermittlung aller drei Verschiebungskomponenten entlang einer vertikalen
Bohrlochachse erfolgt mit der TRIVEC-Sonde [6] (Bild 16). Die gemessenen
Verschiebungsgrössen sind die Dehnung Δz entlang der Bohrlochachse und die
horizontalen Auslenkungen Δx und Δy in zwei vertikalen Ebenen. Das Instrument
ist eine Weiterent wick lung des Gleitmikrometers [7], mit welchem allein die axialen
Dehnungen entlang beliebig geneigten Bohrungen gemessen werden.
Im Wesentlichen ist das TRIVEC deshalb ein Gleitmikrometer mit zwei Inklinometer-
sensoren für die Messung von Δx und Δy. Die beiden Sensoren sind in der Sonde
um 90° in der x-Achse und y-Achse orientiert. Im Gegensatz zum üblichen Bohrloch-
Inklinometer, bei dem Rohre mit Rillen für die Führung des Klinometers verwendet
werden, ist das TRIVEC-Messrohr mit einer Kette von Referenzpunkten in Form von
kegelförmigen Messmarken versehen (Bild 17). Dadurch ist die Position der Sonde
eindeutig definiert und exakt reproduzierbar. Die Messmarken befinden sich in den
teleskopartig verschieblichen Kupplungselementen der HPVC-Rohre.
Die Messmarken positionieren die zwei Köpfe der Sonde für den kurzen Moment
der Messung. Verschieben sich die Messmarken relativ zueinander infolge der
Verschiebung im Lockergestein oder im Fels wird die Änderung der Distanz
(Dehnung) und die Änderung der Neigung als Differenz zwischen zwei Messungen
ermittelt. Die Messmarken sind kegelförmig und die Oberflächen der Köpfe der
Messsonden kugelförmig. Mit dem Kugel-Kegel Setzprinzip ist die Lage des
Zentrums der Kugel genau definiert
Technische Daten:
• Länge der Sonde: 1000 mm
• Messbereich: ± 7.5° umstellbar auf ± 15°
• Messgenauigkeit pro Position: Δz ± 0.003 mm/m, ΔΔx und Δy 0.05 mm/m
• Messgenauigkeit pro 10 m Rohr: Δz 0.01 mm, Δx, Δy 0.5 mm
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 20
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
Die Ausfräsung der Messmarken und Köpfe der Sonde erlauben das Durchgleiten
der Sonde (Bild 18) im Messrohr und die schrittweise Messung jeder Messposition
Meter für Meter.
Für die Messung wird die Sonde um 45° gedreht. Die beiden Köpfe sind mit einem
teleskopartig verschieblichen Rohr über eine Feder gegeneinander verspannt. Durch
Zug an der Sonde werden die beiden Messköpfe in die Messmarken gezogen.
Der Funktionskontrolle der Sonde und der Ermittlung des Nullpunktes, der
Verstärkung des Signals des induktiven Wegaufnehmers und der Klinometer dient
eine Invar Kalibrierlehre. Sie besitzt zwei Messmarken mit einer genau definierten
Distanz für die z-Achse und die Möglichkeit mit Endmassen eine genau definierte
Verkippung in der x- und y-Achse zu erzeugen.
x+
MesspositionGleitposition
Messrohr
InstrumentMesspositionen
KupplungTon-ZementMessrohr
Messmarke(kegelförmig)
Messkopf(kugelförmig)
Neigungssensoren
Messmarke(kegelförmig)
Messkopf(kugelförmig)
InduktiverWegaufnehmer(LVDT)
Bedienungsgestänge
Bild 16 TRIVEC-Sonde Bild 17 Schrittweises Setzen der Sondein Kette von Referenzpunkten
Bild 18 Sonde in Gleit- und Messposition
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 21
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
MessrohrKupplung
InstrumentMesspositionen
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4.2.3.4 GleimikrometerundGleideformeterkombiniertmitBohrlochinklinometer
Der Gleitmikrometer und der Gleitdeformeter gehören ebenfalls zur Familie der
portablen Mess geräte und dienen der Ermittlung der Dehnungsverteilung entlang
der Bohrlochachse. Die Mess verrohrung ist gleich konzipiert wie für das TRIVEC.
Die Wahl, Gleitmikrometers oder Gleideformeter, richtet sich nach der gewünschten
Genauig keit. Der Gleitmikrometer mit der hohen Genauigkeit von ±0.003 mm/m
wird vorwiegend im Fels und Beton mit hohen Verformungsmodul und der Gleit-
deformeter mit der Genauigkeit von ±0.03 mm/m in verformbareren Formationen im
Lockergestein eingesetzt.
Die Dehnungsmessungen lassen sich bei der Verwendung von Rillenrohren und
mit den Kupplungen der Gleitmikrometer oder Gleideformeter mit der Bohrloch-
inklinometer messung kombinieren (Bild 14), damit können ebenfalls 3 Komponenten
des Verschiebungs vektors ermittelt werden. Wegen der unterschiedlichen Position
der Instrumente (Bild 19) werden die horizontalen Komponenten nicht exakt am
gleichen Ort gemessen. Der Inklinometer wird ca. 10 cm unterhalb des Sitzes des
Gleitmikrometers gesetzt. Eine speziell konzi pierte Setzvorrichtung garantiert mit
dem Referenzpunkt der Messmarke des Gleideformeters die exakte Positionierung.
Der Vorteil der Kombination dieser beiden Instrumente liegt in der hohen Genauigkeit
der Dehnungsmessungen entlang der Bohrlochachse. Da der Verschiebungsvektor
mit wenigen Ausnahmen eine vertikale Komponente aufweist, können damit Verschie-
bungen frühzeitig erfasst werden.
Beim Einbau der Messrohre in kompressiblen Böden ist gleich wie beim Extenso-
meter auf die Kompressibilität der Ummantelung aus Bentonit-Zement-Suspension
zu achten.
4.2.3.5 Magnetsetzungslot
Das Magnetsetzungslot (Bild 20) dient der einfachen und schnellen Messung von
Setzungen im Lockergestein. An einem Führungsrohr werden Magnetringe in
bestimmten Abständen von 2 bis 4 m so befestigt, dass sie während der Installation
nicht verschoben werden, jedoch bei Setzungen dem Lockergestein folgen.
Es können normale Rohre aus HPVC, oder ABS, Rillenrohre für Inklinometer oder
auch Pegelrohre eingesetzt werden. Entspre chend wird der Durchmesser der
Magnetringe angepasst.
Die Sonde des Magnetsetzungslotes wird für die Messung mit einem 2adrigen
Flachkabel mit 1 cm Teilung im Bohrloch abgesenkt. Durch einen Führungsaufsatz
mit Nonius lassen sich Änderungen im Millimeterbereich erfassen. Sobald die
Sonde das Magnetfeld des Magnetringes durchfährt, wird über einen Kontakt
ein elektronischer Schalter betätigt, der am Ablesegerät ein Signal auslöst. Der
Messwert wird direkt am Messkabel abgelesen, d.h. die Setzung im Lockerge-
stein wird in Bezug auf den Kopf des Messrohres gemessen, er ist geodätisch
einzumessen.
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 22
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
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• Kabellängen 15 m bis 500 m.
• Genauigkeit bis 40 m ca. ± 2 mm.
Anwendung: Setzungsmessungen in
Dämmen und in setzungsempfindlichen
Böden.
4.2.3.6 Metallplatten-Setzungsmessgerät
Messprinzip gleich wie Magnetsetzungslot, An Stelle von Magnetringen werden
Stahlplatten verwendet.
4.2.4 MessungderPorenwasserspannung.
4.2.4.1 WahldesMesssystems
Bei der Wahl des Messsystems aber auch bei der Art des Einbaues müssen einige
Punkte beachtet werden. Lang/Huder/Amann [8] haben über die Messung der
Potentiale ausführlich geschrieben. «Das Potentialfeld des Grundwassers kann nur
durch eine grosse Anzahl von Messungen eindeutig ermittelt werden, die «punkt-
weise» das Potential ohne zeitliche Verschiebung durch das Messsystem messen,
und aus denen dann die Linien gleichen Potentials gebildet werden können.
Ungeeignet sind also sowohl Messsysteme, die nicht punktförmig messen (wie z.B.
über längere Strecken gelochte Piezometerrohre oder in Bohrungen versetzte Mess-
instrumente, die wegen ungenügender Abdichtung die Zirkulation von Wasser
Bild 19 Messposition für Gleitmikro- und Bohrlochinklinometer
Magnet-Setzungslot mitFlachbandkabel 1 cmMarkierung und Anzeigelampe
Rohraufsatz mit Noniuszur mm Ablesung
Betonplatteca. 500 x 500 x 100 mm
Führungsrohr
Verbindungsmuffe für Führungsrohr
Sonde mit Rückkontakt
Magnetring für Bohrungen
Verbindungsmuffe
Magnetring mit SetzungsplatteØ 120 mm
Bohrloch je nach Führungsrohrund Tiefe bis 200 mm Ø
Bild 20 Magnetsetzungslot
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 23
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
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quer durch die Schichtung ermöglichen), wie auch Messsysteme, die bei Druck-
änderungen in Böden kleiner Durchlässigkeit selbst zuviel Wasser verbrauchen, um
überhaupt die Druckänderung anzuzeigen.»
c "Offene" Piezometer m
it Sandfilte
r
Plastikrohr Ø 8 mm
b Filterspitze gerammt
"Geschlossene" Piezometer
de mit Manometer
a in Sandfilter eingebettet
1" Rohr 30 cm gelocht
gerammt
Referenzzeit t90
Ton
Silt
Sand
Kies
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
10.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Tage
Dur
chlä
ssig
keits
koef
fizie
ntk
in c
m/s
gfMembran
Ventildose
Die Wahl des Messsystems hängt von der Durchlässigkeit des Untergrundes
ab. Bei den offenen Pegeln mit relativ grossen Durchmessern (1" bis 4" ) ist der
Druckausgleich (Pegelstand / Porenwasserdruck) nur über einen Wassertransport
möglich. Damit dies in einer nützlichen Zeit möglich ist, muss das Lockergestein
eine relativ grosse Durchlässigkeit aufweisen. In Böden mit kleinen Durchlässigkeits-
beiwerten (<10-7cm/s) kommen nur geschlossene Systeme in Frage, es sind
Messsonden, die mit geringsten Volumenänderungen Druckdifferenzen erfassen
können. Das Kriterium für die Wahl des Messsystems ist die Referenzzeit t90; es ist
das Zeitintervall, das vom plötzlichen Eintreten einer Porenwasserdruckänderung
Δu an der Messstelle bis zur Anzeige von 90 % von Δu notwendig ist. Das Bild
21 zeigt die Referenzzeit t90 in Abhängigkeit der Durchlässig keits koeffizienten für
die verschiedenen Messsysteme. Offene Pegel mit einem Durchmesser von 1"
weisen im siltigen Sand mit ~10-6 cm/s Referenzzeiten von 100 Tagen auf; schon
mit einem Mikropiezometer mit 8 mm Rohrdurchmesser kann die Referenzzeit bei
gleicher Durchlässigkeit auf einen Tag reduziert werden. Geschlossene Systeme mit
Bild 21 Referenzzeit t90 für verschiedene Druck-Messsysteme in Abhängigkeit vom K-Wert
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 24
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
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Manometer sind nur bei artesisch gespannten Aquiferen einsetzbar, bringen aber
auch schon eine deutliche Verbesserung der Referenzzeit. Die Kompressibilität des
gesamten Messsystems beeinflusst die Referenzzeit.
4.2.4.2 Sensoren
Im Bild 22 sind die verfügbaren Messsysteme dar gestellt (von links nach rechts die
geeigneten Systeme für abnehmende Durch lässig keitskoeffizienten)
In tonigen Böden können nur geschlossene Systeme wie pneumatische Ventilgeber,
Glötzl oder elektrische Druckaufnehmer eingesetzt werden. Beide Systeme können
in sich als inkompressibel betrachtet werden. Die Funktionstüchtigkeit ist jedoch
auch von der Einbauart abhängig.
ElektrischeDruckgeber:
Messsysteme: Membranen mit piezoresitivem Sensor oder mit DMS und
schwingender Saite.
Vorteile:
• rasche digitale Ablesung • einfache Speichermöglichkeit vor Ort
• einfache Automatisierung der Ablesungen
• kurze Messintervalle
Bild 22 Messsystem zur Messung von Porenwasserdrücken [8]
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 25
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
a) 1" - Rohr mit gelochter Spitze (rammbar)b) Spitze mit Quarzfilter und Plastikrohr 8/12 mm (rammbar)c) Quarzfilter (k≈10-3 cm/s) und Plastikrohrd) Messdose Spülung des Systems durch Zu- und Ableitunge) Typ c mit Manometerf) Elektrisches Messsystem piezoresistiv mit schwingender Saite, etc.g) Membranventildose
a b c d e f g
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Nachteile:
• Überspannung (Blitzschlag) kann Geber zerstören ⇒ dem Überspannungsschutz
muss höchste Priorität zukommen • Drift der Werte • Temperaturabhängigkeit (im Grundwasser vernachlässigbar)
Innenrohr (ausbaubar)
Piezometerrohr
Drucksensor(ausbaubar)
Filterspitze mitGeotextil
• Ablesegerät• Datenerfassung
Sensorsitz
Sensorkabel
PneumatischeDruckgeber:
Vorteile:
• robuste Bauart
• Überspannung beschädigt die Geber nicht
• Druck wird als Druck gemessen
Nachteile: • langsamer Messzyklus auch bei Automatisierung
Um den Nachteilen der elektrischen Geber vorzubeugen, sollte, wenn immer möglich,
eine Ausbaubarkeit der Druckgeber angestrebt werden. (Bild 23).
Bild 23 Ausbaubare Druckgeber
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 26
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
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4.2.4.3 EinbauvonPegelundDrucksonden
Für die wirtschaftliche Optimierung wird bei Porenwasserdruckgebern und auch
bei Mikropiezometern angestrebt, mehrere Geber etagenweise in einer einzelnen
Bohrung einzubauen. Der Aufbau der Pegel ist in der Bild 24 dargestellt.
Die Filterstrecken, bestehend aus Quarzsand, sind untereinander mit Ton-Zement-
Suspensionen abgedichtet. Die Filterstrecken sollten nicht länger als ca. 5% der zu
erwartenden Druckhöhe in mWS betragen. Erfahrungsgemäss können jedoch aus
technischen Gründen Filterstrecken <50 cm nicht eingebaut werden. Die Tiefenlagen
der einzelnen Zonen werden gelotet. Häufig werden an Stelle von Ton-Zement-
Suspensionen Betonitkugeln eingesetzt, diese sind jedoch besonders bei artesisch
gespanntem Wasser nicht empfehlenswert. Der Zeitaufwand für den Einbau eines
4fach-Pegels beträgt, wenn die Verrohrung nicht zu viel Teleskopierungen aufweist,
ca. 1 Tag.
Eine weitere, weniger häufige, jedoch sichere Art den Wasserdruck etagenweise zu
ermitteln, wird mit sogenannten Cluster-Bohrungen erzielt (Bild 25). Es sind Einzel-
pegel, die in einer Gruppe die gewünschten Tiefen erreichen.
Der Einbau von Messrohren für Inklinometer, Gleitmikrometer etc. und Porenwasser-
druckgeber in derselben Bohrung ist möglichst zu vermeiden, da die Messrohre
nicht dicht sind und Filterstrecken schwierig einzubauen sind, dadurch ist die
etagenweise Erfassung der Porenwasserdrücke nicht gewährleistet.
Filterrohr
Ton-Zement-Suspension
Vollrohr
Bild 25 ClusterbohrungenBild 24 Etagenweiser Einbau
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 27
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
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4.2.5 Dehnungs-,Kraft-undSpannungsmessung
4.2.5.1 Dehnungsaufnehmer
Für die Messung der Beanspruchung von Beton- und Stahltragteilen werden
Dehnungs messungen eingesetzt. Mit dem bekannten Stoffgesetz für den E-Modul
lässt sich daraus die Spannungsänderung ermitteln. Für die Messwertaufnehmer
kommen im Wesentlichen zwei Systeme zur Anwendung [9]:
• Dehnmessstreifen (DMS): Beim Messen mit Dehnmessstreifen wird der
physikalische Effekt genutzt, dass sich bei den Längenänderungen eines Leiters
sein elektrischer Widerstand ändert. Die mechanische Grösse Dehnung ist
proportional der elektrischen Spannung und wird gemessen.
• Schwingsaitenverfahren: Schwingsaiten-Messwertaufnehmer enthalten als
Messelement eine vorgespannte und auf eine bestimmte Frequenz abgestimmte
Saite. Durch äussere Kraft- oder Druckeinwirkung wird z.B. das Aufnehmer-
gehäuse oder eine Membran elastisch verformt und dadurch die Frequenz der
Saite verändert. Das Erregen der Saite und das Messen der Eigenfrequenz erfolgt
über eine kombinierte Erreger- und Messspule, die auf einem Hufeisenmagneten
angebracht ist.
Bei den handelsüblichen Dehnungsgebern sind die Dehnmessstreifen oder Schwing-
saitenauf nehmer in fertigen, dichten Gehäusen appliziert. Für Dehnungsgeber in
Beton werden sie an Armierungs eisen oder beim Stahl direkt am Stahlträger ange-
schweisst.
DMS:
• Basislänge: 2 - 100 mm
• Messbereich: 1 bis 2 % der Messlänge
• Messgenauigkeit: 0.2 bis 1 % des Messbereichs
DMS-Streifen sind feuchtigkeitsempfindlich, der Abdichtung muss besondere
Beachtung geschenkt werden. Schwingsaitenaufnehmer sind diesbezüglich weniger
empfindlich.
Bei Dehnungsmessungen im Beton werden Dehnungen, die nicht spannungs-
abhängig sind, wie Schwinden, Kriech- und Temperaturdehnungen mitgemessen.
Es ist schwierig, die einzelnen Einflüsse zu trennen.
Anwendung: Dehnungsmessung in Beton und an Stahltragteilen
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 28
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
4.2.5.2 MessungderDehnungmitinduktivenWegaufnehmern
Für die Messrohre mit Teleskopkupplungen (TRIVEC und Gleitmikrometer) steht
ein fest installierbares und wieder ausbau bares Dehnungsmessinstrument zur
Verfügung, FIM (Bild 26) steht für Fest Installierter Mikrometer. Er wird mit Federkraft
zwischen zwei Messmarken verspannt. Für Nachkalibrierung oder Installation in
einem anderen Messrohr kann er ausgebaut werden.
• Basislänge: 1000 mm
• Messbereich: ± 5 mm
• Messgenauigkeit: ± 0.002 mm/m
Anwendung: Dehnungsmessung im Beton und Fels
4.2.5.3 HydraulischeAnkerkraftgeber,TypGlötzl
Der Ankerkraftgeber besteht aus einem Kolbenkissen, welches aus zwei biegesteifen
Ringschei ben gebildet ist, durch eingedrehte Ringnuten sind die Ringscheiben
beweglich. Der Druckraum dieses Kolbenkissens ist mit einer Hydraulik-Flüssigkeit
gefüllt und hat eine genau definierte Grundfläche, wodurch die Umsetzung Kraft in
Spannung ermöglicht wird.
Für die Messung des Druckes bzw. der Ankerkraft stehen mehrere Systeme zur
Verfügung:
• Hydraulisches Kompensationsventil für Fernmessung
• Elektrischer Druckaufnehmer für Fernmessung
• Direktablesung über kraftkalibrierte Manometer
Für die permanente Messung ist die Automatisierung bei dem Kompensationsventil
und dem Druckaufnehmer möglich.
• Messbereich: 250KN bis 5000 kN
• Messgenauigkeit: ± 1 % des Messbereiches
• Temperatureinfluss: 1.2 % des Messbereiches für 20°C
Die hydraulischen Ankerkraftgeber mit der Fernmessung mit dem Ventil von Glötzl
zeichnen sich durch eine sehr hohe Robustheit und Langzeittauglichkeit aus.
Bei mehreren permanenten Über wachungen sind sie seit mehr als 25 Jahren ohne
nennenswerte Ausfälle in Funktion.
Bild 26 Fest Installierter Mikrometer FIM
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 29
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Sonde zwischen zwei Messmarken verspannt
Messrohr
Arno Thut, Solexperts AG
4.2.5.4 AnkerkraftgebermitDMS
Der Aufbau basiert auf einem thermisch behandelten Spezialstahlrohr, das mit
Dehnungsmessstreifen bestückt ist. Die zu messende Kraft wird durch die
Deformation des Stahlrohres über die Dehnungsmessstreifen in ein elektrisches
Signal umgewandelt. Das elektrische Signal wird so abgeglichen, dass die Kraft am
Ablesegerät direkt in kN abgelesen wird. Die Geber sind temperaturkompensiert.
• Messbereich: 1000 KN bis 6000 kN
• Genauigkeit: ±1 % des Messbereiches
• Temperatureinfluss: ± 0.01 % /°C
• Einsatztemperatur: – 30° bis 60°C
4.2.5.5 Spannungsmessung,Erddruckaufnehmer
Erddruckaufnehmer messen die Totalspannungen im Lockergestein oder in der
Boden-Kontaktfläche eines Gründungskörpers, siehe etwa [20]. Sie bestehen aus
zwei in geringem Abstand gehaltenen Metallplatten, zwischen denen eine Flüssigkeit
eingefüllt ist (Bild 27). Der einwirkende Belastungsdruck wird über die Flüssigkeit
auf die Membrane des Kompensationsventils übertragen. Die Messung erfolgt über
die Druckleitung, in welcher der Druck entweder pneumatisch oder hydraulisch bis
zum Öffnen des Ventils erhöht wird, nach dem Öffnen fliesst das Gas oder Öl in der
Rückleitung zurück. Anstelle des Ventils werden auch Druckaufnehmer eingesetzt.
Abmessungen: ø 120 mm, ø 170 mm kreisrund
70/140, 100/200, 150/250, 200/300, 400/400 rechteckig
Messbereich: 20 bar, Regelgenauigkeit ±0.01 % /°C
50 bar, Regelgenauigkeit ±0.01 % /°C
200 bar, Regelgenauigkeit ±0.05 % /°C
Der Einbau erfolgt wenn möglich nicht direkt in Kontakt zum Beton, um Temperatur-
und Schwindeinwirkungen beim Abbinden zu verhindern.
.
Bild 27 Erddruckgeber Glötzl, Kompensationsventil
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 30
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
4.3 ProfilundAbweichungsmessungenbeiSchlitzwändenundBohrungen
4.3.1 ProfilundAbweichungsmessungbeiGrossbohrungen
In Bentonit gestützten Grossbohrungen wird mit dem KODEN-Instrument (eine
japanische Entwick lung) (Bild 28) der Durchmesser, die Ebenheit der Wandung
einer Pfahlbohrung und auch die Breite und Länge der ausgehobenen Lamellen bei
Schlitzwänden ermittelt. Die Messung auf Ultraschall Echolot-Basis gibt zusätzlich
Aufschluss über die Vertikalität der Grossbohrung.
• Maximale Tiefe: 100 m
• Genauigkeit: Bereich von 2 bis 5 cm
Für die Messung darf das Raumgewicht der Spülung maximal 12 kN/m3 betragen.
4.3.2 Bohrlochlagevermessung
Im Lockergestein werden Ankerbohrungen, Vereisungsbohrungen und Bohrungen
für Rohr schirme verrohrt erstellt. Insbesondere Anker- und Vereisungsbohrungen
müssen in vielen Fällen bezüglich Lage, Azimut und Neigung eingemessen werden.
Instrumente mit Kompass können in den Stahlrohren und Gyrosonden in flachen
Bohrungen nicht eingesetzt werden.
In verrohrten und unverrohrten Felsbohrungen wird für die Lagevermessung eine
Sonde eingesetzt, deren Messprinzip darauf beruht, dass eine elektronische Kammer
Reflektorringe in einer Distanz von 3 und 6 m erkennt. Diese Ringe sind in der
flexiblen Sonde der Kamera vorauseilend angeordnet (Bild 29). Sie wird in der
Bohrungen zentriert und folgt so dem Verlauf der Bohrung.
Die Sonde, eine schwedische Entwicklung, ist unter dem Namen Maxibor auf dem
Markt. Der eingebaute Mikroprozessor speichert die Abweichung in zwei senkrecht
zueinander stehenden Ebenen und wird nach dem Ausbau auf einem Laptop aus-Laptop aus- aus-
gelesen, und das Messresultat wird direkt nach der Messung ermittelt.
Bild 28 KODEN Messinstrument
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 31
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
Arno Thut, Solexperts AG
Messung: Die Messung erfolgt in Schritten von drei Metern bis zum Ende der
Bohrung. Die Sonde wird mit einem Gestänge in Position gebracht. Die ersten drei
Meter müssen bezüglich Azimut und Neigung genau eingemessen werden.
• Messart: Die Messung ergibt die Abweichung gegenüber der Anfangs-
richtung der Bohrung
• Messlänge: 15 bis 2000 m
• Genauigkeit: 1/1000 der Bohrlochlänge z.B. 50 m: 5 cm
Bild 29 MAXIBOR Bohrlochvermessung
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 32
4. Messinstrumente, Installation, Aufwand
oben
unten
rechtslinks
3 m
3 m
Elektronische Kamera
Microprocessor und Datenspeicher für Verschiebungen
5. Durchführung der Messung, Berichterstattung
Da die geotechnischen Messungen wesentliches zur Sicherheit, Qualitäts- und Baukontrolle
beitragen, muss der raschen Auswertung der Messungen und Berichterstattung höchste
Priorität zukommen. Die Anwendung manueller Messungen allein ist deshalb nur bei
kleineren Objekten oder bei Baumassnahmen mit kleineren kalkulierbaren Risiken
empfehlenswert. Bei grossen komplexen Bauwerken mit der Interaktion zwischen den
Bauteilen, dem Baugrund und den angrenzenden Gebäuden werden manuelle Messungen
durch die gezielte Anordnung von automatischen Messanlagen ergänzt (Bild 30durch die gezielte Anordnung von automatischen Messanlagen ergänzt (Bild 30durch die gezielte Anordnung von automatischen Messanlagen ergänzt ( ). Dabei fallen Bild 30). Dabei fallen Bild 30
grosse Datenmengen an, die schnell und ohne grossen Aufwand aufbereitet, ausgewertet und
visualisiert werden müssen. Automatische Messsysteme müssen deshalb mit einer übersicht-
lichen Visualisierungssoftware ergänzt werden.
Extensometer
KraftmessdoseDatenlogger
Funk-GSM-Modem
Datenlogger
Interface
Messung mit Datenlogger
Manuelle Messung
Ablesegerät
Spriesskraft-messungLichtlot-
messung
Datenkontroller
Modem
Totalstation
Extensometer
Nivellier
Vollautomatische Messungen
Interface
Daten-erfassung
Manuelle Messungen mitautomatischer Datenerfassung
Büro
PortableMessausrüstung
• Manuelle Messungen
Sowohl die Messung als auch die Aufzeichnung der Messresultate auf Mess-
protokollen erfolgen manuell. Diese Messungen werden überall dort durch-
geführt, wo Messstellen nicht häufi g gemessen werden müssen oder aus
technischen bzw. fi nanziellen Gründen eine automatische Messung nicht in
Frage kommt (z.B. geodätische Verschiebungs messungen, Grundwasser- Frage kommt (z.B. geodätische Verschiebungs messungen, Grundwasser- Frage kommt (z.B. geodätische Verschiebungs
stands messungen mit Kabellichtlot, Spannungsmessungen etc.). Die erhobenen
Messdaten werden zur weiteren Auswertung und Präsentation in den PC
eingegeben.
Bild 30 Von der manuellen zur automatischen Messung
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 33
5. Durchführung der Messungen, Berichterstattung
• Manuelle Messungen mit selbstregistrierenden Ablesegeräten
Diese Messungen, z.B. mit den Linienmessgeräten Inklinometer, Gleitmikrometer,
Gleit deformeter, TRIVEC sowie Inkrex erfolgen periodisch durch Messtechniker.
Die Messwerte werden meist automatisch aufge zeichnet und in der Datenerfass-
ungseinheit zwischengespeichert, und die digitalen Informa tionen mit Hilfe
spezieller Softwareprogramme aufbereitet und ausgewertet.
• Automatische Messung mit autonomen Datenloggern
Die erhobenen Messdaten werden in den Datenloggern zwischengespeichert
und periodisch mit einem portablen PC ausge lesen. Zeitkritische Messwerte
können mittels Funk- bzw. GSM-Modems zu einer nahegele genen Messzentrale
übertragen werden. Gleichzeitig kann bei Grenzwertüberschreitung ein Alarm
ausgelöst werden.
• Vollautomatische, permanente Messungen mit Datenerfassungssystemen
Die Aufbereitung der Daten und Kontrolle der defi nierten Alarmgrenzwerte
erfolgt durch speziell entwickelte Soft ware-Systeme. Die gewonnenen Messwerte
können direkt von der Baustelle in die Büros der verantwortlichen Ingenieure
und/oder Gutachter fernübertragen werden. Gleichzeitig ist eine online Kontrolle
der sicherheitsrelevanten Grenzwerte möglich.
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 34
5. Durchführung der Messungen, Berichterstattung
5.1 Manuelle Messungen
Schwerpunkte der Abwicklung der Messungen sind die Kalibration der Ablesegeräte
und Sonden vor dem Messeinsatz, die Sicherung der Qualität der Messungen und
die möglichst rasche Dokumentation der Messergebnisse.
Portable Sonden sollen in einem temperaturkonstanten Raum vor jedem Einsatz
kalibriert werden. Es muss darauf geachtet werden, dass die Temperatur der Sonden
der Raumtemperatur angeglichen ist.
Für die Messung im Feld in den Bohrungen ist ebenfalls darauf zu achten, dass die
Sonde der Temperatur im Messrohr angeglichen wird. Die Messungen sollten nach
Möglichkeit zur Kontrolle je Messstelle zweimal durchgeführt werden.
Am Messort werden die Rohdaten der Messungen manuell im vorbereiteten Feld-
protokoll mit der Angabe des Namens des Messortes, der Messstellennummer,
Witterung und des Namens des Messtechnikers eingetragen. Die Messdaten müssen
im Feld bezüglich Plausibilität geprüft werden. Bei automatischer Registrierung der
Messdaten muss eine periodische Datensicherung z.B. als Ausdruck oder auf einem
Labtop erfolgen. Für die Messinstrumente ist es empfehlens wert, ein Gerätebuch zu
führen, in dem jeder Feldeinsatz und eventuelle spezielle Beobachtun gen bezüglich
Unregelmässigkeiten eingetragen werden.
5.2 Automatische Messanlagen
Automatische Messanlage sind über den PC und Controller gesteuert. Systeme
sollten möglichst modular aufgebaut sein, d.h. alle Sensoren sind über ein
einziges Kabel, über die sogenannte Busleitung mit der Messzentrale verbunden.
Jeder Sensor hat seine Adresse. Im Kapitel 4 ist die Vielfalt der eingesetzten
Sensoren beschrieben. Anlagen, die möglichst verschiedenartige Sensoren (DMS,
Schwingende Saite, Potentiometer, Theodoliten etc.) ansteuern können, sind
vorzuziehen.
Die Mindestanforderungen an automatische Anlagen sind:
• Permanente messtechnische Erfassung online mit frei wählbarer
Registrierungsrate
• Online Berechnung von Mittelwerten, Maxima, Minima
• Online Messwertkompensation und online Berechnung, um von den Messwerten
auf relevante Messresultate zu schliessen
• Einrichtung und Einstellung zur Grenzwertüberwachung der Messwerte und der
ausgewerteten Messungen (Resultate) auf obere und untere Grenzwerte
• Stufenweise Alarmeinrichtung bei Überschreiten der Grenzwerte
• Triggerfunktion, d.h. Erhöhung der Messrate bei Grenzwertüberschreitung
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 35
5. Durchführung der Messungen, Berichterstattung
• Alarmierung mit Blinkleuchte, Fax-Benachrichtigung auf verschiedene Stellen
und Mobiltelefone
• Systemüberwachung mit selbsttätigem Neustart nach Unterbrüchen
(z.B. Stromunterbruch)
• Datenübertragung per Modem auf mehrere externe Kontrollstellen
5.3 Datenvisualisierungs-Software
Um die verantwortlichen Ingenieure bei der Auswertung und Präsentation von
geotechnischen und/oder hydrogeologischen Messwerten zu unterstützen, sind
Daten visualisierungs-Software-Pakete entwickelt worden. Stellvertretend für diese
Art von Software wird nachfolgend eine Entwicklung der Solexperts AG erläutert
(DAVIS):
DAVIS ist eine projektspezifi sche Windows-Datenbank [10], die speziell die
Anforderungen von Ingenieuren und Hydrogeologen berücksichtigt. Die offene
Datenstruktur ermöglicht die einfache und schnelle Integration von automatisch
erfassten Messwerten, Messresultaten von autonomen Datenloggern und Daten von
Handmessungen. Gleichzeitig lassen sich alte Datensätze und Messreihen in die
Datenbank einlesen.
Daneben können wichtige Zusatzinformationen verwaltet werden, so z.B. Messwerte
von manuellen geodätischen Verschiebungsmessungen, Fotodokumentation über
die Lage bzw. das Setup der Messgeber oder Informationen über den Bauzustand.
Bei gewissen Projekten (z.B. bei der Überwachung von Dämmen oder beim Hoch-
wasserschutz) kann DAVIS sicherheitsrelevante Informationen wie beispielsweise
den Wetterbericht mit der lokalen Niederschlags prognose direkt vom Internet
abrufen, grafi sch aufbereiten und darstellen.
Mit der DAVIS-Software lassen sich die Messergebnisse von einem breiten
Expertenkreis nutzen und interpretieren, ohne dass detaillierte Projektkenntnisse
notwendig sind.
Die Ergebnisse können schnell und einfach dargestellt, verglichen und interpretiert
werden, was eine aktive Steuerung der Aktivitäten auf der Baustelle mit Hilfe der
Informationen aus geotech nischen und/oder hydrogeologischen Messungen Informationen aus geotech nischen und/oder hydrogeologischen Messungen Informationen aus geotech ni
ermöglicht.
Dazu muss für jedes Projekt eine spezifi sche Projektoberfl äche mit Haupt- und
Unterfenstern generiert werden. DAVIS zeigt eine grafi sche Darstellung bzw. ein
Foto des zu überwachenden Objektes mit der Lage der installierten Sensoren.
Der Benutzer kann sich mit wenigen Mausklicks einen Überblick über die Funktions-
tüchtigkeit der Messanlage, die Entwicklung der Messresultate und den Alarmstatus
einzelner Sensoren verschaffen (Bild 31einzelner Sensoren verschaffen (Bild 31einzelner Sensoren verschaffen ( ). Bild 31). Bild 31
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 36
5. Durchführung der Messungen, Berichterstattung
Das Programm bietet vielfältige Möglichkeiten, Ergebnisse einzelner Sensoren
oder Sensorgruppen in verschiedensten Tabellen- und Grafi kformaten darzustellen. oder Sensorgruppen in verschiedensten Tabellen- und Grafi kformaten darzustellen. oder Sensor
Neben Liniengrafi ken können die Resultate entlang einer Profi lachse, als Zeitreihe
oder als Vektorgrafi k dargestellt werden. Zusätzlich lassen sich statistische
Berechnungen und Regressionsanalysen durchführen sowie Einzelsensoren
mathematisch verknüpfen (z.B. zur Temperaturkompensation der Messresultate).
Helvetica?
Fig. 31 Oberfl äche einer Datenvisualisierung, U-Bahn Kopenhagen
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 37
5. Durchführung der Messungen, Berichterstattung
6. Fallbeispiele
6.1 TiefeBaugruben,angrenzendeGebäude
Bei der Erstellung tiefer Baugruben im Grundwasser und im städtischen Bereich
werden verankerte oder ausgesteifte Baugrubenwände erstellt. Die Ausführungs-
arten der Wände sind vielfältig, armierte Schlitzwände, Stahlspundwände, gerammt
oder in Bentonit-Zementsuspensionen eingehängt, Pfahlwände etc.
Das geotechnische Überwachungsprogramm muss für jedes Projekt frühzeitig,
vor der Ausführung der Baumassnahme geplant werden. Dies erfordert fundierte
Kenntnisse in der Bodenmechanik und im Grundbau. Der Ingenieur muss mögliche
Gefahrenszenarien auflisten, die Risiken abschätzen und entsprechend Sensoren
oder Handmessungen in den kritischen Bereichen anordnen und darauf basierend
auch den Plan für die Häufigkeit der erforderlichen Messungen erstellen. Im
Wesentlichen sind bei tiefen Baugruben folgende möglichen Gefährdungen zu
beurteilen:
• Hydraulischer Grundbruch
• Setzungen hinter den Baugrubenumschliessungen
• Verschiebungen der Baugrubenumschliessung
• Tragverhalten der Erdanker
• Undichte Fugen in der Baugrubenumschliessung
• Reduktion des passiven Erddruckes bei der Erstellung von Ankern oder
Zugpfählen in der Baugrubensohle für die Auftriebssicherung
• Setzungen hinter der Baugrubenumschliessung durch Ankerbohrungen etc.
• Differentielle Setzungen oder Verschiebungen angrenzender Bauobjekte
6.1.1GSWBerlin,Baugrube,Pfahlfundation
GSW steht für «Gemeinnützige Siedlungs- und Wohnbaugesellschaft», das
Gebäude befindet sich an der Kochstrasse 22-23 in Berlin-Kreuzberg. Neben dem
bestehenden, flachfundierten, 16-geschossigen Bürohaus, nachfolgend als Altbau
bezeichnet, sind folgende Baumassnahmen ausgeführt worden [11] (Bild 32):
• Aushub eines einstöckigen Untergeschosses neben und um den bestehenden
Altbau herum. Baugrube ist gegenüber dem bestehenden Gelände 3.5 m tief.
• Konstruktion einer 15 m tiefen ausgesteiften Baugrube (ab Voraushub) für eine
Tiefgarage mit den Abmessungen 18.4 m x 57.0 m, 19 m vom Altbau entfernt,
die Baugrubenumschliessung ist eine Spundwand/Dichtwand-Kombination,
Dichtwand 42 m und Spundwand 21 m tief.
• Herstellung von 140 Bohrpfählen mit Durchmessern von 0.90 und 1.20 m für den
Bau eines 22-geschossigen Hochhauses westlich des Altbaus.
• Bau eines 3-geschossigen Flachbaues nördlich, östlich und südlich des Altbaus.
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 38
6. Fallbeispiele
DigitalNivellier-geräte
gepl.Hochhaus
Messlatten
Baugrube TiefparkerMarkgrafenstr.
3-fachExtenso-meter
5-fachExt.
5-fachExtensometer
Inkl. Inkl. Inkl.
Mergel
Kraft-aufnehmer
best.Hochhaus
26.00 19.00 18.40 5.00
Braunkohleton
Inkl.
-20
-10
GOK
-30
-40m
In der Ausschreibung wurde in einem Kapitel «Setzungsbeschränkungen des
Altbaus» auf die Problemstellung hingewiesen und Grenzwerte festgelegt.
Der Unternehmer hatte ein Konzept mit Massnahmen zur Reduzierung dieser
Setzungen vorzulegen und die Planung, Kontrolle und Überwachung sämtlicher
Massnahmen einzurechnen.
Die Grenzwerte hat der Auftraggeber folgendermassen definiert:
«Der Auftragnehmer hat zu gewährleisten, dass die Bewegung des Altbaus die vom
Auftraggeber genehmigten Grenzwerte nicht überschreitet. Die maximale Setzung
am Ende der Bautätigkeit darf 40 mm nicht überschreiten. Davon unbeschadet
dürfen die Verzerrung der Bodenplatte (Winkelverdrehung) und die Schiefstellung
1/750 während der Bauzeit nicht überschreiten. Die endgültige Schiefstellung und
Winkelverdrehung nach Abschluss der Arbeiten darf 1/1500 nicht überschreiten.
Der Auftragnehmer hat den Auftraggeber unverzüglich zu informieren, wenn die
Winkelverdrehung 1/2500 überschreiten.
Der Auftragnehmer installiert im Altbau Messinstrumente von ausreichender
Genauigkeit und räumlicher Reichweite, um Winkelabweichungen von 1/5000 der
Haupttragwerkselemente in zwei orthogonalen Richtungen zu registrieren.»
Im weiteren waren in Bezug auf die Überwachung folgende Anforderungen durch
den Unternehmer zu erfüllen:
• Überwachung bis 6 Monate nach Fertigstellung der gesamten Baumassnahmen
(ca. 3 Jahre).
• Das Messsystem muss 1 Monat vor Baubeginn installiert sein.
• Erste Ergebnisse über Verformungen des Altbaus müssen innerhalb von
24 Stunden nach Ablesung übergeben werden.
Bild 32 GSW Berlin, Geologischer Querschnitt, Instrumentierung, Baumassnahmen
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 39
6. Fallbeispiele
• Während der Injektionsmassnahme müssen die Ablesungen am Haupttragwerk
mindestens einmal pro Stunde erfolgen.
• Genauigkeit: Bodenverformungen ±0.5 mm, Bauwerkssetzungen und
Nivellierpunkte ± 0.5 mm.
Bei der Evaluation des Messsystems zeigte sich, dass bei der Häufigkeit und
der Dauer der Messung eine Automatisierung der Ablesungen wirtschaftlich ist.
Die eingesetzte automatische Anlage umfasste [2] (Bild 33)
9 8 76
5
4
10
11
121 2 3 Nivel
Nivel
Ref.
Messzentrale
Piezo-meter
Ext.Ext.
Ext. Ext.
Ext.Extensometer
GSW-HochhausKochstrasse
Mess-latten
Baugrube Tiefparker
Charlottenstr.
Markgrafenstr.
gepl. Hochhaus
Pfahlgründung
11.50 58.00 5.50
5.00
18.40
19.00
26.00
41.60
75.00
110.
00
• Automatische Messzentrale mit externen über Bus-Kabel verbundene
adressierbare Interface
• 2 motorisierte Leica Na 3003
• 7 Mehrfachextensometer
• 3 Grundwasserpegel
• 1 Druckgeber im Pumppegel
• Inklinometermessungen in der Baugrubenwand
Die zentrale Messanlage ist über Modem mit dem Unternehmer und mit der
Lieferfirma verbunden.
Die beiden Digitalnivelliergeräte sind an den gegenüberliegenden Eckpunkten
des Altbaus auf einer Höhe von 6.0 m (Schutz vor Diebstahl) installiert. Der Referenz-
punkt ist an einem gegenüberliegenden Gebäude ca. 27 m entfernt installiert.
Die gemessenen und gespeicherten Setzungen bis Juni 1997 sind im Bild 34
enthalten.
Bild 33 GSW Berlin, Grundriss, Instrumentierung, Baumassnahmen
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 40
6. Fallbeispiele
Setz
unge
n/H
ebun
gen
(mm
) 20100
-10-20-30-40
-80
-50-60-70
1-Mär 21-Mai 10-Aug 31-Okt
NivII-7
NivI-4
NivII-10
NivI-1
Hoch-haus
Baug
rube
Pfah
l-gr
ündu
ng
1-Jul 20-Sep 10-Dez
Niv I-1
Niv II-10
Niv I-4Niv II-7
19-Jan 10-Apr 30-Jun1995 1996 1997
Zur Setzungsbeschränkung wurde an den Rändern des Altbaues HDI-Injektionen,
und unter dem Gebäude Injektionen mit dem Manschettenrohrverfahren durch-
geführt. Die Nivellierpunkte II-7 und II-10 in den Eckpunkten des Altbaues zeigen
infolge dieser Massnahme allein Setzungen in der Grössenordnung von 22 mm.
Eine ähnliche Grössenordnung ca. 20 mm wurde infolge dieser Massnahme bei
den Punkten I-1 und I-4 dem Bauablauf entsprechend zeitlich verzögert ermittelt.
Das Bohren im vorhandenen Sand verursachte Setzungen, minimale Hebungen
durch die Injektion konnten die Setzungen nicht kompensieren.
Die Erstellung der Baugrube hatte am Altbau Setzungen von ca. 6 mm zur Folge.
Grosse Verschiebungen des Spundwandfusses durch einen grundbruchähnlichen
Vorgang beim Erreichen der Aushubtiefe von ca. 16.5 m für die dritte Spriesslage
verursachten ca. 3 mm zusätzliche Setzungen.
Bis zum 16.10.95 wurde eine konstante Pumprate von ca. 20 m3/Std gefördert.
Die Setzungen, gemessen mit dem Extensometer S4 (Bild 35), betrugen bis zu
diesem Datum ca. 12 mm. Ab 16.10.95 nimmt die geförderte Wassermenge
zu und erreicht im Maximum 185 m3/Std. Die Setzungen im Extensometer S4
(Bild 36) zeigen nach der Zunahme der Pumprate im Bereich des Wandfusses
zwischen der Tiefe 22.5 m und 14.5 total ca. 36 mm. Durch die Gewölbewirkung
der Mergelschicht und des Bodens sind aufsummiert an der Oberfläche fast keine
Setzungen zu beobachten.
Der zeitliche Verlauf der Verschiebungen von 1. Oktober 1995 bis 1. Januar 1996,
gemessen beim Extensometer S4 und dem Pegel P2, ist im Bild 37 enthalten.
Der Verlauf der Setzungen und die Absenkung von 1.3 m im Pegel erfolgen
zeitgleich.
Bild 34 Zeitlicher Verlauf, Setzungen der Eckpunkte des Altbaus
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 41
6. Fallbeispiele
EXT1 l=37.50 m
EXT2 l=22.50 m
EXT3 l=14.50 m
EXT4 l=8.50 m
EXT5 l=1.50 m
Auswertung der Extensometermessung S401.9.95 – 23.10.95
Setzung [-] Hebung [+]
Fusspunktunverschieblich
OK Mergel-21.0 müNN
UK Mergel-15.5 müNN
0.00
-0.30
-0.66
-1.94
-13.78-11.87
.
Dass die Leckage beim Wandfuss entstanden ist, konnte mit dem Fluid-Logging-
Verfahren nachgewiesen werden. Das Wasser im Beobachtungspegel wird mit
Salzwasser ausgetauscht. Durch den Gradienten zwischen dem Aquifer ausserhalb
der Baugrube und dem abgesenkten Grundwasserspiegel in der Baugrube entsteht
ein Zufluss von Süsswasser zum Pegel und die Leitfähigkeit wird im Laufe der Zeit
je nach Zu- oder Abfluss zeitlich verändert. Zur Messung der Veränderung werden
in bestimmten Zeitintervallen Logs gefahren. Gemessen werden Leitfähigkeit, Druck
und Temperaturen.
1-Okt
40
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
Def
orm
atio
n [m
m]
Dru
ck [m
.ü.M
.]
32.0
31.4
30.8
30.2
29.6
29.0
0m1.5m
8.5m
14.5m
22.5m
37.5m
1
2
3
4
5
4-Nov 9-Dez 1-Jan-961995
S4 Ext. 2-1
S4 Ext. 3-2
S4 Ext. 5-4
Pegel P2
S4 Ext. 5-5
S4 Ext. 4-3
EXT1 l=37.50 m
EXT2 l=22.50 m
EXT3 l=14.50 m
EXT4 l=8.50 m
EXT5 l=1.50 m
Auswertung der Extensometermessung S423.10.95 – 10.11.95
Setzung [-] Hebung [+]
Fusspunktunverschieblich
OK Mergel-21.0 müNN
UK Mergel-15.5 müNN
0.00
-1.67
-35.83
-37.89
-2.330.99
Bild 35 GSW Berlin. Extensometer Verschiebungen vor Wasser- einbruch
Bild 36 GSW Berlin. Extensometer: Verschiebungen nach Wassereinbruch
Bild 37 GSW Berlin. Zeitlicher Verlauf, Verschiebungen Extensometer S4 Pegel P2
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 42
6. Fallbeispiele
In Bild 38 sind die Felddaten und die mit einer Modellierung ermittelten Werte
aufgetragen. Die Simulationsrechnung zeigt eindeutig die Leckage im Bereich des
Spundwandfusses.
35.6 müM
–40 m
Mergel
Braunkohleton
Fluid-LoggingPegel
Spundwände
2.00.0
-2.0-4.0
0
10
20
30
40 0 1000
2000
3000
4000
5000
Leitfähigkeit [µS/cm]
Tiefe [m] FelddatenSimulation
Qi [l/min]
ZuflüsseAbflüsse
End-aushub
Schlitzwände
Die Ursachen der Leckage sind die Wasserdruckverhältnisse unter dem
verbleibenden Mergelband bei der 3. Aushubetappe (Bild 39).
1-Sep-95 1-Oct-95 1-Nov-95 1-Dec-95 1-Jan-96 1-Feb-960
5
10
15
20
25
30
35
~Excavation LevelMarl
2m
23m
Flooding
Pres
sure
[Alti
tude
]
Über einige Tage war der Druck höher als die Auflast, das Mergelpaket wurde
angehoben (konnte auch mit dem Extensometer in der Baugrube nachgewiesen
werden). Dies verursachte die Fussverschiebung der Spundwand und den Riss in
der Dichtwand. Zur Sanierung wurde die Baugrube geflutet und die Leckage entlang
der Baugrube mit HDI-Injektion abgedichtet. Nach der Massnahme konnte die
Pumpwassermenge wieder auf 50 l/Std reduziert werden.
Bild 38 GSW Berlin. Lokalisierung Leckage mit Fluid Logging
Bild 39 GSW Berlin. Zeitlicher Verlauf des Pegelstandes
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 43
6. Fallbeispiele
Zu Beginn der Pfahlarbeiten sind beim Altbau beim Niv I-1 und angrenzend weitere
Setzungen von den vorhandenen ca. 25 m auf 65 mm aufgetreten. Die Anpassung
des Bohrverfahrens verkleinerte die Setzungen, sie konnten aber nicht gänzlich
verhindert werden.
Nach diesen Gründungsarbeiten betrug
• die maximale Setzung des Altbaus 65 mm
• maximale Schiefstellung 1/860
Die vorgegebenen Grenzwerte wurden sowohl bezüglich der Grösse der Setzungen
als auch bezüglich der Schiefstellung überschritten. Grössere Schäden sind am
Altbau nicht aufgetreten. Durch aufwendige Kompensationsinjektionen unter dem
Gebäude konnte der Altbau wieder mehr oder weniger in die alte Lage gebracht
werden. Nach diesen Arbeiten betrug die maximale Setzung ca. 17 mm und die
Schiefstellung 1/1300.
6.1.2 S-BahnhofPotsdamerPlatz,angrenzendeBauwerke
Der unterirdische S-Bahnhof grenzt direkt an die Baugrube Potsdamer Platz an. Die
Erstellung der Baugrube mit Schlitzwänden, Aushub unter Wasser, Pfahlerstellung
ab Pontons und betonieren unter Wasser sind anderweitig [12] ausführlich
beschrieben. Mit einem umfassenden Messprogramm wurde das Bauverfahren mit
manuellen Messungen im Baugrund in jeder Bauphase untersucht. Bild 40 zeigt die
Messresultate der Gleitdeformeter in Vertikalbohrungen und Inklinometermessungen
in Horizontalbohrungen in einem Messquerschnitt [13].
Die grössten Verschiebungen mit Setzungen bis zu 80 mm und differentiellen
Setzungen zwischen 7 und 17 m hinter der Wand von 1/200 sind beim Erstellen der
Rüttelpfähle in der Baugrube als Folge einer Reduktion des passiven Erddruckes
und Verschiebung des Wandfusses um ca. 60 mm aufgetreten.
5
10
15
20
25
30
35-60 -30 0 30 60
mm-60 -30 0 30 60mm
3035
510152025
-60-30
030
60m
m
4045
0
Vertikale VerschiebungenQuerschnitt MV1
G2gmv
G1gmv
H1inh
Verkürzung
BaugrubeHebung
Setzung
1 29/8/952 17/11/953 20/3/964 25/6/961: n. Anker spannen2: Ende Aushub3: Einbau Ri-Pfähle4: n. Lenzen
Bild 40 Baugrube Potsdamer Platz. Vertikale Verschiebungen
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 44
6. Fallbeispiele
Zur Erstellung der Verankerung der Schlitzwand im Bereich des S-Bahnhofes
mussten die Anker unter dem S-Bahnhof und unter dem Grundwasserspiegel
ab einem Voraushub gebohrt werden (Bild 41). Im Hinblick auf die gemessenen
aufgetretenen Setzungen in anderen Bereichen der Baugrube und im Hinblick
auf die voraussichtlichen Setzungen infolge der Bohrungen der Anker wurde der
S-Bahnhof mit motorisierten Digitalnivelliergeräten (Bild 42), Deflektometern und
Fugenmesser automatisch überwacht [14].
Klinometer
Ketten-Deflekto-meter
Injektionssohle
Voraushubfür
Ankereinbau
SpätereBaugrube
Spundwand
Schlitzwand
GOK
Ankerbis zu 45 m35-45° nach untenVp 1000 kN/lfm
-20
-10
GOK
-30 m
40 m
S-Bahnhof
MotorisiertesDigitalnivelliergerät
Messlatte
Bild 41 S-Bahnhof Potsdamer Platz. Voraushub für Erstellung Anker
Bild 42 S-Bahnhof Potsdamer Platz. Installation motorisierte DiNi 10Installation motorisierte DiNi 10
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 45
6. Fallbeispiele
Setz
unge
n [m
m] S
eite
Bau
grub
e
-60
-50
-40-30-20
-10
0
10
12-Sep4-Jul25-Apr14-Feb6-Dez27-Sep19-Jul10-Mai1-Mär1996 1997
3.23.52.9
Bohrungen fürVerankerungen
entlang S-Bahnhof
20
-70
Entlastungs-bohrungen
2.7
1.3
1.1
-80
Unterwasser-Aushubder Baugrube
Lenzender
Baugrubeneben
S-Bahnhof
Rammen derRI-Pfähleentlang
S-Bahnhof
Die aufgetretenen Setzungen sind im Bild 43 dargestellt. Die grössten Setzungen
sind beim Bohren der Anker aufgetreten, sie betragen im Maximum 60 mm und die
maximale differentielle Setzung 1:650 (Bild 44), ohne dass nennenswerte Schäden
am S-Bahnhof aufgetreten sind. Die Rüttelpfähle verursachten ca. 8 mm Setzung.
Die Setzungen sind geringer, weil die Ankerlage im Bereich des S-Bahnhofes wesen-
tlich tiefer liegt, bei ca. -13 m und nicht bei -2.5 m wie im übrigen Bereich, und
deshalb nicht die gleich grossen Verschiebungen des Wandfusses aufgetreten sind.
Bild 43 S-Bahnhof Potsdamer Platz. Zeitlicher Setzungsverlauf ausgewählter Punkte
Bild 44 S-Bahnhof Potsdamer Platz. 3D Dastellung der Setzungen3D Dastellung der Setzungen
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 46
6. Fallbeispiele
Nord
150mSüd
Set
zung
[mm
]
West40m
Ost
Die Setzungsmessungen konnten on-line durch den Geotechniker und den
Statiker verfolgt werden. Mit der Steuerung des chronologischen Ablaufes der
Ankerbohrungen und mit der Anordnung von «Entlastungsbohrungen» konnten
die Setzungen bzw. die differentiellen Setzungen in Grenzen gehalten werden.
6.1.3 Nationalbank,Bratislava,Sohlhebung
In den Jahren 1996 bis 2000 wurde die Nationalbank, ein Gebäude mit 35 Stock-
werken erstellt. Für die Untergeschosse wurde eine trapezförmige Baugrube mit
der Länge von 140 m und der Breite von 28 m bzw. 65 m erstellt [15]. Die Aushub-
tiefe betrug 13 m, die Baugrubenumschliessung ist eine verankerte vorfabrizierte
Schlitzwand. Der Baugrund besteht bis zur Tiefe von 14 m aus Sand und Kies und
darunter stehen bis Tiefen >30 m Tone mit Sandschichten an. Der Grund-
wasserspiegel im Kies befindet sich bei 13.5 m, also knapp über dem Tonhorizont.
Die Sandschichten sind hydraulisch durch die Tonschichten getrennt und enthalten
unterschiedlich gespanntes Grundwasser mit piezometrischen Höhen über dem
obersten Grundwasserspiegel.
Zur Messung der Sohlhebung infolge Aushub, und damit zur Beurteilung des späte
ren Setzungsverhaltens des Bauwerkes wurde in einer Bohrung ein Gleitdeformeter
Messrohr bis zu einer Tiefe von 24 m unter der Aushubsohle eingebaut.
Die Nullmessung erfolgte ab einem Voraushub von 2.0 m. Der Aushub entspricht
einer Entlastung von ca. 270 kP. und die anschliessende Belastung 300 kPa.
Im Bild 45 sind die Hebungen und die Setzungen aufsummiert aufgetragen.
Für die Setzungen ist die Nullmessung vor Baubeginn im Juli 1997 eingesetzt
worden, die Setzung beträgt 49 mm gegenüber den Hebungen von ca. 39 mm.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Tief
e [m
]
-40 -20 0 20 40
Hebung Setzung [mm]
Grundplatte
-12m
-9m
6S* 35S*
S* = Stockwerk Bild 45 Bratislava Nationalbank Hebungen und Senkungen
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 47
6. Fallbeispiele
Der zeitliche Verlauf der Hebungen und Setzungen während dem Bau sind im
Bild 46 dargestellt. Die Hebungen haben nach dem Aushubende einen Wert von
ca. 20 mm im Februar 1997 erreicht. Der Bau wurde im Februar für ca. 6 Monate
unterbrochen. Entsprechend dem Konsolidationsvorgang bei kleinen Durchlässig-
keiten waren noch weitere Hebungen zu erwarten. Die Extrapolation der potentiellen
weiteren Hebungen in diesen 6 Monaten liessen maximale Werte von bis zu
80 mm befürchten. Zur Begrenzung dieser Werte und auch zur Begrenzung der
anschliessenden Setzungen wurden zwei Massnahmen getroffen:
• Grundwasserentspannung mit Brunnen bis zur Tiefe von 4 bis 5 m
• Aufbringen eines Ballastes mit einer Schüttung von 3 m
Aug.96
Dez.96
Mrz.97
Jun.97
Sep.97
Jan.98
Apr.98
Jul.98
Nov.98
Feb.99
Mai99
Aug.99
Dez.99
Mrz.00
Jun.00
Okt.00
50403020100
-10-20Se
tzun
g H
ebun
g [m
m]
BaubeginnEnde
Balla
stEn
tlast
ungs
brun
nen
Entfe
rnun
gBa
llast
Zeit
Sie führten zum Ziele, wie die folgenden Messungen zeigten, vorerst Setzungen von
ca. 8 mm bis zum Juli 1997. Die anschliessenden Hebungen bis zu ca. 35 mm sind
auf die Entfernung des Ballastes zurückzuführen. Nach Erstellung des Bauwerkes
betrug die Setzung in Bezug auf die Nullmessung vor Aushub 10 mm.
6.2 Probeschüttung,Beobachtungsmethode
Die neue Abwasseraufbereitungsanlage von Barcelona ist auf einem grossen
Gelände eines Flussdeltas geplant [16]. Im Herbst 1996 wurde zur Untersuchung
des Setzungsverhaltens ein Damm mit den Abmessungen 80x80 m und mit einer
Höhe von 4 m erstellt. Bild 47 zeigt den Bodenaufbau, unter einer 3 m dicken
Schicht Silt folgen 20 m eines mitteldicht gelagerten Sandes und anschliessend bis
42 m zur Kiessschicht weicher Ton. Das Versuchsfeld wurde mit 3 Gleit-
deformeter Messrohren bis zum Kieshorizont, 8 Piezometern und Oberflächen-
nivellement instrumentiert.
Bild 46 Bratislava Nationalbank. Zeitlicher Verlauf der Hebungen und Setzungen
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 48
6. Fallbeispiele
Silt
80.0 m25.0
4.03.0
20.0
42.0
65.0
Oberer Aquifer
Ton
Unterer Aquifer
GleitMikrometer
Damm
Die differentiellen und aufsummierten Messwerte des Gleitdeformeters im Zentrum
des Dammes zeigen das Bild 48. Unvorhergesehen wurde in der Tiefe von 12 bis
20 m eine stark kompressible Zone beobachtet und zwar in einem Bereich, der
ursprünglich als Sand bezeichnet wurde.
Unterhalb dieses Bereichs ist eine progressive Abnahme der Dehnungen gemessen
worden. Eine mögliche Erklärung für die kleinen Werte ist eine Überkonsolidation
hervorgerufen durch die Wasserentnahme aus dem unteren Aquifer.
Die Darstellung der gemessenen differentiellen Setzungen mm/m in der kompres-
siblen Schicht zwischen 10 und 22 mm im Ton (Bild 49) in Funktion der Zeit im halb-
logaritmischen Massstab zeigen den typischen Verlauf der primären und sekundären
Konsolidation. Daraus konnten die Kompressionsbeiwerte Cα in situ berechnet
werden.
z = 20.0z = 13.9z = 14.9z = 16.0z = 19.0z = 17.0z = 18.0Mean Value
20.00
18.00
16.00
14.00
12.00
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.0010 100 1000
Tage seit 23/10/96
Stra
in [m
m|m
]
Tiefe zwischen 10.0 und 22.0 m (Ton)
Bild 47 Barcelona. Probebelastung durch Damm für Kläranlage [16][16]
Bild 49 Differentielle Setzungen pro Meter in verschiedenen Tiefen zwischen 10 und 22 m in Funktion log Zeit [16] [16]
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 49
6. Fallbeispiele
Bild
48
B
arce
lona
. Deh
nung
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nter
Pro
bed
amm
, auf
sum
mie
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iffer
entie
ll [1
6][1
6]
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 50
6. Fallbeispiele
6.3 Adlertunnel-SanierungeinesBauwerkes
Der Adlertunnel im Kanton Basel-Land bildet einen Teil der Bahn 2000 Neubau-
strecke der Schweizerischen Bundesbahnen (SBB). Ein Streckenabschnitt der
Tagbaustrecke Nord südöstlich von Basel liegt in einer geologisch setzungsgefähr-
deten Zone aus Gipskeuper mit jährlichen Setzungsbeträgen von ca. 10-15 cm [10].
Die SBB als Bauherr führte vor dem eigentlichen Tunnelbau eine Voruntersuchung
durch, um die Ursachen der Bodensetzungen zu ermitteln. Mit Hilfe von zwei
8-fach Extensometern, eingebaut bis in eine Tiefe von 170 m, wurde der setzungs-
empfindliche Bereich in einer Tiefe von ca. 150 m unter GOK lokalisiert. Ursache
für die Setzungen sind zirkulierende Wässer, die das Gestein sukzessive auslaugen.
Diese kontinuierliche Subrosion führt zu einer Setzung der darüber liegenden
Schichtpakete. Die lokale Ausdehnung der elliptischen Setzungsmulde beträgt an
der Oberfläche ca. 200 m in der Länge und 100 m in der Breite.
Der Adlertunnel durchquert auf einer Strecke von ca. 6 km den Schweizer Jura,
wobei sich beiderseits des gebohrten Tunnels kürzere Tagbautunnels mit einer Über-
deckung von ca. 3 m anschliessen (Bild 50). Nach der Fertigstellung und Einschüt-
tung der Tunnelröhre hat sich im Bereich der Tagbaustrecke Nord eine ca. 150 m
lange Setzungsmulde gebildet, in deren Zentrum sich der Tunnel um ca. 250 mm
abgesenkt hat.
Obwohl der durchgehend armierte Tunnel eine gewisse Verformung aufnehmen
kann, erlaubt der Verkehr der Hochgeschwindigkeitszüge und die damit verbundene
Geometrie der Geleise keine grossen differentiellen Setzungen.
Bild 50 Adlertunnel Pratteln, Schweiz
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 51
6. Fallbeispiele
Sanierungsmassnahmen
Im Jahre 1998 wurde beschlossen, den betroffenen Tunnelabschnitt mit hydrau-
lischen Pressen anzuheben. Daraufhin wurde der bereits zugeschüttete Tagbau-
tunnel freigelegt. An den Tunnelaussenwänden wurden Nocken einbetoniert, an
denen 92 auf Steifenfundamente abgestellte hydraulische Pressen angreifen.
Die Fundamente sind durch Mikropfähle gestützt.
Während der Hebung werden die Pressen über elektrische Wegaufnehmer
gesteuert. Der anzuhebende Tunnelabschnitt wird zudem mit einer motorisierten
Totalstation (Leica TCA1103) vollautomatisch überwacht. Gesteuert durch die
Software werden in definierten Zeitintervallen die Horizontal- und Vertikalwinkel
sowie die Distanz zwischen Gerät und Detailpunkt mit hoher Genauigkeit erfasst.
Damit lassen sich die Verschiebungen einer Vielzahl von Messpunkten im Raum
bezogen auf ein Referenzpunktnetz mit einer Genauigkeit von ca. 0.8 mm online
berechnen.
Der automatische Tachymeter ist an der Innenseite des Tunnels im Zentrum der
150 m langen Setzungszone an der Tunnelwand montiert. Mit 6 Referenzpunkten,
die in einer Distanz von ca. 200 m beiderseits des Messgerätes im stabilen Tunnel-
bereich angebracht sind, ermittelt die Totalstation vor jedem Messzyklus die
eigene Geräteposition. Anschliessend werden die 72 Detailpunkte (Miniprismen)
eingemessen, die alle 10 m an beiden Seiten des Tunnelquerschnitts, sowie am
First des Tunnels angebracht sind, und deren Verschiebung bezogen auf ein
Referenzpunktnetz bestimmt.
Während der Tunnelanhebung werden die Ergebnisse der geodätischen Verschie-
bungsmessung innerhalb des Tunnels mit den Resultaten der Wegaufnehmer ausser-
halb des Tunnelquerschnitts verglichen. Damit kann detektiert werden, ob
der Tunnel tatsächlich angehoben oder nur das Fundament mit den Mikropfählen
nach unten gedrückt wird.
Die automatisch ermittelten 3-D Verschiebungen erlauben den verantwortlichen
Ingenieuren, den Hebevorgang zu überwachen und zu steuern, um die Belastungen
auf die Tunnelstruktur zu minimieren, sowie nachfolgende Setzungen zu beobachten.
Zur Erfassung der Spannungen in der Tunnelbetonschale sind zusätzlich 3 Mess-
querschnitte mit je 4 Deformetermesslinien instrumentiert, die manuell mit einer
Genauigkeit von ± 0.002 mm/m gemessen werden. Jedes Profil besteht aus je
einer Messlinie an der Sohle, am First und in den Viertelspunkten. Die manuellen
Dehnungsmessungen erfolgen jeweils unmittelbar vor und nach einem Hebungs-
zyklus. Aus den Längenänderungen der Messstrecke wird die Krümmungsänderung
der Tunnelschale und damit die Beanspruchung abgeschätzt.
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 52
6. Fallbeispiele
ResultatederVerschiebungsmessungwährendderTunnelanhebung
Alle Messergebnisse werden in der DAVIS Projektdatenbank gesammelt. Bild 51
zeigt das Projektfenster. Die Resultate der Handmessungen mit dem Deformeter
werden nach jedem Einsatz im DAVIS integriert und können so zusammen mit den
automatischen Messwerten dargestellt werden.
Bild 51 Projektfenster Datenvisualisierung. Die Quadrate symbolisieren die Messpunkte in den Richtungen x, y und z. Mit Mausklick öffnen sich Fenster mit der Datenliste und der grafischen Darstellung der berechneten Verschiebungen
Bild 52 Vertikale Verschiebungen im Tunnelprofil. Die Vektorgrafik zeigt den aktuellen Zustand
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 53
6. Fallbeispiele
Bild 52 zeigt eine Grafik mit der vertikalen Verschiebung parallel zur Tunnelachse
während verschiedener Hebephasen. Deutlich ist zu sehen, dass die maximalen
Hebungsraten von bis zu 250 mm im Zentrum des 150 m langen Tunnelabschnitts
aufgebracht wurden, um die natürlichen Setzungen zu kompensieren und die
Tunnelsohle wieder in die ursprüngliche Position zu überführen.
Bild 53 zeigt den zeitlichen Verlauf der Vertikalverschiebungen an 6 ausgewählten
Messpunkten. Nach dem Anheben und dem Einbringen von Injektionsgut unter
das Bauwerk ist Anfang September 1999 ein deutlicher Sprung in den Messwerten
erkennbar. Zu diesem Zeitpunkt wurde der Tunnel nochmals um ca. 10 mm ange-
hoben, um diesen vom noch nicht abgebundenen Injektionsgut zu trennen.
Nach dem Aushärten des Spezialmörtels wurde das Bauwerk definitiv auf das neue
Fundament abgesetzt.
LangzeitüberwachungderTunnelbewegungen
Seit dem Absetzen des Tunnels misst das automatische Messsystem kontinuierlich
die Bewegungen des Tunnelbauwerks im Raum. Die momentanen Setzungsraten
liegen im Zentrum des Tunnelabschnitts bei ca. 10 - 15 mm / Monat.
Die Entwicklungen in diesem Streckenabschnitt können bequem über Modem vom
Büro aus nachvollzogen und kontrolliert werden. Es ist geplant, die Tagbaustrecke
Nord in der nächsten Zeit nicht zu überdecken. Dadurch können zusätzlich
notwendige Anhebungen des Tunnelabschnitts ohne viel Aufwand und längere
Sperrungen des Streckenabschnitts durchgeführt werden.
Bild 53 Verschiebungsmessungen an 6 Punkten parallel zur Tunnelachse während dem Hebenzyklus
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 54
6. Fallbeispiele
6.4 ÜberwachunginstabilerHänge
Die messtechnische Erfassung von Böschungsdeformationen bei instabilen Hängen
ist aus Sicherheitsgründen und auch in der Projektierungsphase von Gebäuden,
Strassen, Tunnels von grösster Bedeutung [17].
Die linienweise Messung der Horizontalverschiebungen mit den bekannten Mess-
verfahren des Bohrlochinklinometern (Abschn. 4.2.3.1) gibt bei genügender Anzahl
von Messrohren Aufschlüsse über:
• Lage der Gleitebene
• Volumen der Rutschmasse
• Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung der Gleitbewegung mit periodischen
Messungen
Bei grosser Gefährdung von Siedlungen und Strassen sind permanente Über-
wachungen notwendig.
6.4.1 Verschiebungsmechanismen
Mit der Ermittlung des Profils der räumlichen Verschiebungsvektoren entlang der
Bohrlochachse kann der Bewegungsmechanismus einer Rutschmasse [18] inter-
pretiert werden. Zusammen mit der Geologie und der Topographie werden, wie die
folgenden Beispiele zeigen, grundsätzliche Erkenntnisse über das Verformungs-
verhalten der einzelnen durch die Rutschung beanspruchten Formationen
gewonnen.
X
Z
x Pi
Rutschzone
Pi
Pi-1Pi-1
a) b)
Bild 54 Gleitzone zwischen zwei benachbarten Messmarken [18] [18] a) Gleiten nach unten mit Verkürzung b) Gleiten nach oben mit Verlängerung
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 55
6. Fallbeispiele
Befindet sich eine Rutschzone mit einer Stärke <1.0 m zwischen zwei TRIVEC-
Messmarken (Bild 54a) hängen die beobachteten Verschiebungen von der Neigung
der Rutschfläche, der Bewegungsrichtung und vom Verformungsverhalten der
beanspruchten Zone ab. Findet während dem Schervorgang in der Scherzone keine
Veränderung der Schichtstärke statt, d.h. der Schervorgang ist volumenkonstant
(Bild 54a), dann verläuft der differentielle Verschiebungsvektor parallel mit der
Scherfläche. Hier ist zu beachten, dass bei einer nach oben gerichteten Scherung
(Bild 54b) die vertikale Verschiebungskomponente (in Bohrlochachse) eine Verlänge-
rung zeigt und im Gegensatz dazu bei einer nach unten gerichteten Scherung eine
Verkürzung zu beobachten ist. Ist die Scherzone kompressibel, d.h. es findet
während der Scherung eine Konsolidierung statt, wird die oben genannte vertikale
Verschiebungskomponente durch eine zusätzliche Komponente überlagert, und der
Verschiebungsvektor ist bei abwärts gerichteter Bewegung nicht mehr parallel zur
Scherfläche, sondern steiler als die Scherfläche.
VerformungsmodellebeieinfachenRutschvorgängen
Die Darstellungen von idealisierten Rutschvorgängen mit dem Profil der Bewegungs-
grössen Δx, Δz, x = ∑ Δx und dem Profil des Verschiebungsvektors ∂ sind ein gutes
Hilfsmittel, die komplexeren Vorgänge im Felde und die damit verbundenen Mess-
resultate zu interpretieren. Bild 55 zeigt zwei einfache Fälle mit einer und zwei
parallelen Scherflächen. Die Scherflächen sind bei den Spitzen Δx und Δz der
differentiellen Verschiebungen zu lokalisieren. Die Verschiebungsrichtung wird durch
das Profil der Verschiebungsvektoren dargestellt.
x z x
zx
x z x(+)1
2a) b)
Eine spezielle Situation tritt ein, wenn die beiden Scherflächen nicht parallel sind
(Bild 56). Es ist wichtig, die beiden Verschiebungsvektoren separat als relative
Vektoren zu betrachten. Das Bild 56a zeigt beim Vektor ∂2 deutlich einen parallelen
Verlauf zur Ebene S2. Diese Aussage ist bei der Darstellung der absoluten Verschie-
bungsvektoren (Bild 56b) nicht mehr möglich.
Bild 57 zeigt das Verformungsbild bei einem Kriechvorgang. Das Schichtpaket 1
ist einer gleichmässigen volumenkonstanten Scherung durch die Verschiebung der
Zone 2 als «Block» unterworfen.
Bild 55 Starrer Körper auf einer (a) oder zwei (b) Gleitflächen [18] [18]
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 56
6. Fallbeispiele
1
2
S1
S22
1
1+ 2
1
S22
1
S1
a) b)
GotschnahanginKlosters
Der Gotschnahang in Klosters am linken Ufer der Landquart wird seit 50 Jahren
geodätisch vermessen. Die Verschiebungen betragen bis zu 50 mm pro Jahr.
2
1
x z x
Im Hinblick auf neue Tunnels für die Rhätische Bahn und für die Umfahrung Klosters
wurden an mehreren Stellen TRIVEC-Messungen durchgeführt. Ein Bohrloch
wurde vom bestehenden Eisenbahntunnel bis zu einer Tiefe von 40 m mit TRIVEC-
Messrohren ausgerüstet (Bild 58). Die Messlinie durchquert die Rutschzone.
??
?
Bild 56 Verschiebungsvektoren bei zwei nicht parallelen Gleitebenen [18] [18] a) Relative Verschiebungsvektoren ∂2 parallel zu S2,parallel zu S2, ∂1 parallel zu S1 parallel zu S1 b) Überlagerte Verschiebungsvektoren ∂2
Bild 57 Schicht 1 mit gleichmässigen Scherverformungen [18][18]
Bild 58 Lage der instrumentierten Bohrung im Tunnel der RhB, Klosters, Klosters
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 57
6. Fallbeispiele
Die Messresultate sind in Bild 59 enthalten. Es sind die differentiell gemessenen
Verschiebungen in x- und z-Richtung sowie das Profil der Verschiebungsvektoren
dargestellt. Es ist das typische Bild einer Rutschung mit zwei eindeutigen Rutschflä-
chen, interessant ist der Vergleich der differentiellen Verschiebungen in der z-Achse
mit den Horizontalverschiebungen in der x-Achse.
In der Tiefe von 10 m sind in Bezug auf die differentiellen Setzungen 2 Spitzen, und
bei der Horizontalverschiebung nur eine Spitze zu beobachten. Die Scherung scheint
unterhalb der Scherebene von einer Konsolidation oder eventuell einer Erosion
begleitet zu sein.
1280
1300
1320
1240 [m]
B1810 mm
B20
0 20 40 [m]Fels
1340
1320
1300
1280
[m]
0 20 40 [m]
B16
20 mmB17Fels
In zwei anderen Zonen des Gotschnahanges wurden 4 weitere Bohrlöcher mit
TRIVEC-Messrohren (Bild 60) ausgerüstet. Die Bohrungen B17 und B18 zeigen die
vorher aufgezeigten typischen Bilder der Verschiebungsvektoren bei einer nach oben
gerichteten Scherung.
Bild 59 Verschiebungen im Rutschhang mit der Verteilung der Dehnungen und Verschiebungsvektroren
Bild 60 Verschiebungen in einem Querschnitt des Rutschhanges Klosters. Die Bohrungen 17 und 18 zeigen aufwärts gerichtete Gleitflächen [18][18]
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 58
6. Fallbeispiele
Dehnung z [mm]
10
20
30
Tief
e [m
]
3 914222735
3 9 14 22 27 35
Neigungsänderung x [mm/m]2 4 6
10
20
30
40
8 10 12-2
Monate nachNullmessung
Tief
e [m
]
10
20
Tief
e [m
]
20
10 20
10
x [mm]
z [m
m]
0.5 1.0 1.5Verschiebungsvektoren
30
6.4.2 Lauterbrunnen,Rutschgebiet«ImRitt»,Isenfluh,automatischeÜberwachung
Nach heftigen Schneefällen im Winter 1999 begann mit dem Einsetzen der Schnee-
schmelze ein Hang unterhalb des Weilers Isenfluh aus angewittertem und
geklüftetem Mergel zu rutschen. Schon im Jahre 1988 kam es an dieser Stelle zu
Abgleitungen.
Am 20. April 1999 ist erneut eine Rutschung eingetreten, die Strasse wurde
verschüttet, die Zufahrt zum Weiler musste gesperrt werden.
Aus Sicherheitsgründen wurde zur Beobachtung des Hanges vom 23. April bis
4. Juli 1999 eine automatische Überwachungsanlage mit einem Tachymeter TCA
1800 installiert. Bild 61 zeigt die Sicht auf den Rutschhang vom Tachymeter aus.
Im Lageplan (Bild 62) ist die Messanordnung schematisch dargestellt. Von der
Station in einer Distanz von ca. 700 m wurden 6 Prismen angesteuert und ein-
gemessen. Der Höhenunterschied beträgt ca. 300 m.
Vers
chie
bung
(cm
) hefti
geN
iede
rsch
läge
70
60
50
40
30
20
10
0
AbsD001
AbsD004
AbsD005
AbsD002AbsD003
AbsD006
23-Apr 5--Mai 18-Mai 31-Mai 13-Jun 26-Jun 9-Jul
Stabilisierung
1999
Schn
eesc
hmel
ze
Bild 61 Lauterbrunnental. Sicht vom Tachymeter zum Rutschhang
Bild 62 Überwachung Rutschgebiet Lageplan der Messanordnung
Bild 63 Lauterbrunnental. Zeitlicher Verlauf der Verschiebungen
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 59
6. Fallbeispiele
Rutschgebiet
TotalstationReferenzpunktMesspunkt
50m
100m
In den 3 Monaten (Bild 63) bewegte sich der Hang bis zu 65 cm mit maximalen
Geschwindigkeiten von 4 cm pro Tag. In der Graphik sind die vektoriellen Verschie-
bungen aufgetragen. Die Software führt on-line die Ausgleichsrechnungen durch.
Die Messungen erfolgten kontinuierlich, Das Messintervall betrug 20 min. Die Mess-
genauigkeit beträgt ca. ± 1.0 mm.
Die erste Beschleunigung ist auf das Schmelzwasser zurückzuführen, mit dem Rück-
gang stabilisiert sich die Bewegung. Heftiger Dauerregen im Mai beschleunigt erneut
die Bewegungen. Die Stabilisierung der Hangverschiebungen ab Juni 1999 führte
am 4. Juli 1999 zur Entwarnung und Öffnung der Verkehrswege. Die automatische
Anlage wurde demontiert, jedoch die Prismen vor Ort belassen, erstens um die
Messungen manuelle weiterzuführen und zweitens um im Bedarfsfalle die auto-
matischen Messungen wieder aufzunehmen.
6.5 ProbebelastunganTragteilen,Pfahlversuche,Deformations-messungenanPfahlfundationen
Bei einem Probepfahl wird die Interaktion von Pfahl und Baugrund mit der Messung
von Deformationen und Kräften untersucht. Die Messverfahren reichen von Setzungs-
messungen mit Nivellement bis zu Dehnungsmessungen im Pfahl. Die Versuche mit
Dehnungsmessungen lassen auf die Wirkung der Mantelreibung und auf den Anteil
des Spitzenwiderstandes schliessen.
6.5.1 Dehnungsprofi
4
3
211
2
3
2
1
3
a b c d e
Pk
Die Dehnungsprofile von Pfählen unter axialer Belastung (Bild 64) geben Aufschluss
über die Interaktion zwischen Pfahl und Lockergestein. Bild 64a zeigt das Dehnungs-
bild eines Lastabtragens über Reibung, bei Bild 64b wird die Last allein über die
Spitze des Pfahles abgetragen. Im Bild 64c ist der Pfahl im unteren Bereich 3 nicht
belastet, der Lastabtrag findet im oberen Bereich 2 statt, der Pfahl kann verkürzt
werden.
Bild 64 Schematische Darstellung von möglichen Dehnungsprofilen bei axial belastetem Pfahl
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 60
6. Fallbeispiele
Wird der Pfahl zusätzlich zur Axiallast durch negative Mantelreibung belastet (Zone
2) zeigt sich das Dehnungsprofil wie im Bild 64d. Beim Bild 64c ist in der Zone 2 ein
kleineres E-Modul des Betons, eine schlechtere Betonqualität vorhanden.
6.5.2 PunktuelleoderlinienweiseMessungderDehnungen
Zur punktuellen Erfassung von Dehnungsmesswerten (Bild 65a) dienen Dehnungs-
messstreifen (DMS) (Abschn. 4.2.5.1). Demgegenüber können mit dem Gleit-
mikrometer oder TRIVEC die Dehnungen bezogen auf eine Meterbasis lückenlos
erfasst werden (Bild 65b). In den folgenden 2 Beispielen aus der Publikation von
Amstad, Kovári [19] sind Dehnungsmessungen mit dem Gleitmikrometer besprochen.
L = 1 m
a) b)
6.5.3 PfahlbelastungsversuchinVaduz
Im Vorfeld der Erstellung einer grossen Pfahlgründung für ein Gebäude im
Fürstentum Liechtenstein wurde im Jahre 1981 ein Pfahlbelastungsversuch an einem
26 m langen Bohrpfahl mit einem von Durchmesser von 90 cm durchgeführt. Der
Baugrund besteht aus Kieslagen mit eingeschlossenen Sand- und Siltlinsen. Neben
der Ermittlung der Tragfähigkeit war es das Ziel des Messprogrammes,
die Art der Interaktion von Pfahl und Baugrund und die damit zu erwartenden Anteile
von Spitzenwiderstand und Mantelreibung zu ermitteln. Diese Informationen dienten
zur Überprüfung der gewählten Pfahllänge. Es wurden, erstmalig bei einem Pfahl-
belastungsversuch, Dehnungsprofile mit dem Gleitmikrometer erfasst.
Die zwei im Probepfahl diametral angeordneten Gleitmikrometermesslinien A und B,
erstreckten sich über die volle Länge des Pfahles.
Bild 65 Dehnungsmessungen in Pfählen [19][19] a) Punktuelle Messungen mit DMS b) Linienweise Messung, Dehnungsprofil mit Gleitmikrometer und TRIVEC
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 61
6. Fallbeispiele
5
4
3
2
1
00 5 10 15
Pk [MN]
[Tage]
Gleitmikrometermessung
In Bild 66 ist das Lastprogramm des Pfahlbelastungsversuches dargestellt.
Nach einer ersten Stufe der Axialbelastung auf Pk = 3 MN (Gebrauchslast) wurde
die Belastung vollständig entfernt. Bild 67 zeigt die Dehnungsprofile für die Zweit-
belastung auf den Höchstwert von Pk = 5 MN. Auffallend sind in dieser Figur die
Stauchungsspitzen in rund 5 m und 10 m Tiefe, die schon beim Erreichen der
Gebrauchslast von Pk = 3 MN deutlich erkennbar waren. Abklärungen haben
ergeben, dass diese Stauchungsspitzen aller Wahrscheinlichkeit nach auf
mehrstündige Unterbrüche beim Betoniervorgang und auf eine damit verbundene
Verschlechterung der Betonqualität infolge Sedimentation aus der Bentonitspülung
zurückzuführen sind. Die Aussagekraft der Messungen wurde dadurch aber nicht
beeinträchtigt.
.
20
10
0 200 400 0 200 400[10E–6]
Tiefe [m] A B
Bild 66 Pfahlbelastungsversuch, Belastungsprogramm [19][19]
Bild 67 Vaduz. Pfahlbelastungsversuch, Dehnungs- profil entlang dem Pfahlmantel in zwei diametral angeordneten Messlinien A und B (Gleitmikrometer) [19][19]
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 62
6. Fallbeispiele
Es zeigte sich nämlich, dass auch bei der aufgebrachten Höchstlast von Pk = 5 MN
in der Pfahlspitze keine Betonstauchungen gemessen werden konnten. Dies
bedeutet, dass die gesamte Pfahllast durch Mantelreibung in den Baugrund
eingeleitet wurde.
6.5.4 PfahlbelastungsversuchebeimBaulos2.01derZürcherS-Bahn
Im westlichen Teil des Bahnhofes Museumstrasse mussten die Lasten von zwei
Geschossdecken des Bahnhofes bereits im Bauzustand auf den Untergrund über-
tragen werden. Einzellasten von maximal 9 MN wurden aus Vollstahlstützen in die
Betonpfähle von 1.80 m Durchmesser eingeleitet, wobei eine zulässige Pfahlsetzung
von 2 cm einzuhalten war. Da der Baugrund sehr wechselhaft aufgebaut war
(Schotter, kompakt gelagerte Seeablagerungen), hatten die Belastungsversuche
zum Ziel, das Trag- und Setzungsverhalten der Pfähle sowie die Lastübertragung
im System Pfahl-Boden in Abhängigkeit von der geologischen Struktur abzuklären.
Ferner waren die Dimensionierungsgrundlagen zur Bestimmung der erforderlichen
Pfahllänge zu überprüfen.
Druckmessteller1 Deformationsgeber
Gleitmikrometer-messrohre
12 Dehnungsgebernur Pfahl 20.1
Druckmessdose6 Flachpressen1 Verschiebungsgeber
4 Dehnungsgeber
SchutzrohrVollstahlstützeInvarpegel
16.0
m P
fahl
20.
112
.0 m
Pfa
hl 1
9.1
15.0
m
390.0
407.0Ballast 1000t
Die Belastung der beiden Probepfähle 19.1 und 20.1 wurde mit Flachpressen
erzeugt, welche zwischen Pfahlkopf und Stütze angeordnet waren und sich gegen
die Decke mit dem aufliegenden Ballast von 10 MN abstützen. Beide Pfähle wurde
mit je zwei diametral angeordneten Gleitmikrometermesslinien instrumentiert
(Bild 68).
Bild 68 S-Bahn Zürich. Baulos 2.01, Instrumentierung der Probepfähle 19.1 und 20.119.1 und 20.1
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 63
6. Fallbeispiele
In Bild 69 ist der Vergleich von vier Dehnungsprofilen der beiden Probepfähle
für eine Lastzunahme am Pfahlkopf von Pk = 7.5 MN (Zunahme von 2.5 MN bis
10 MN) dargestellt. Diese Darstellung zeigt einen recht unterschiedlichen Verlauf
der Dehnungsprofile entlang des Pfahlmantels, selbst bei den im gleichen Pfahl
diametral gegenüberliegenden Profilen (wie z.B. bei GM3 und GM4). Der hier mit
dem Gleitmikrometer erfasste maximale Dehnungsmesswert beträgt nur rund
0.1 mm/m. Dies zeigt, dass derartige Messungen mit einer Messbasis von 1 m nur
bei einer sehr hohen Messgenauigkeit aussagekräftig sind.
5
10
0 40 80 120
Depth [m]
5
10
0 40 80 120
5
10
0 40 80 120
15
5
10
0 40 80 120
15
Pfahl 19.1GM1
Pfahl 19.1GM2
Pfahl 20.1GM3
Pfahl 20.1GM4
Kompression Kompression
Kompression Kompression
Die beiden Pfähle 19.1 und 20.1 zeigen grundsätzlich verschiedene Dehnungsprofile.
Beim Pfahl 19.1 findet der Lastabtrag über die Mantelreibung zwischen ca. 5 und
10 m Tiefe statt, wo hingegen beim Pfahl 20.1 der Lastabtrag wesentlich geringer ist.
Das unterschiedliche Verhalten ist mit grösster Wahrscheinlichkeit auf die Bentonit-
spülung zurückzuführen. Beim Pfahl 20.1 gab es aus bauorganisatorischen Gründen
zwischen dem Bohren und dem Betonieren eine Unterbrechung von ein paar Tagen.
Bild 69 S-Bahn Zürich. Dehnungsverteilung bei 7,5 MN für die Pfäle 19.1 und 20.1 [19][19]
Arno Thut, Solexperts AG Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren Seite 64
6. Fallbeispiele
Arno Thut, Solexperts AG
7 Literaturverzeichnis:
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Grundbau und Bodenmechanik, Technische Universität Braunschweig, Heft Nr. 44,
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[2] Schwarz, W., Stand und Entwicklung der Sensormessung, Moderne Sensorik für die
Bauvermessung, März 1999, VDI Berichte 1454.
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Symposium on Field Measurements in Geomechanics, Zurich, September 1983.
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ein ferngesteuertes Messsystem, Messen in der Geotechnik 2000, Mitteilung des
Institutes für Grundbau und Bodenmechanik, Technische Universität Braunschweig,
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the «TRIVEC» borehole probe, Int. Symp. on Field Measurements in Geomechanics,
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engineering, 2nd Int. Symp. on Field Measurements in Geomechanics, 1988 Balkema, nd Int. Symp. on Field Measurements in Geomechanics, 1988 Balkema, nd
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[8] Lang-Huder-Amann, Bodenmechanik und Grundbau, 6. Aufl age, Springer Verlag.
[9] Gattermann, J., Messtechnische Einsatzmöglichkeiten und Probleme – dargestellt an
Projekten des IGB·TUBS, Messen in der Geotechnik, Mitteilung der IGB·TUBS, Heft
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[10] Naterop, D. Isler, B., Keppler, A., Datenvisualisierung bei geotechnischen und
hydrogeologischen Messaufgaben, Messen in der Geotechnik 2000, Mitteilung der
IGB·TUBS, Heft Nr. 62.
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren 65
7. Literatur-Hinweise
Arno Thut, Solexperts AG
[11] Sänger, Chr., Mayer, P.-M., Messtechnische Überwachung der Interaktion zwischen
einem bestehenden Hochhaus und einer benachbarten 20 m tiefen Baugrube
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[12] Thut, A., Grossbaustellen in Berlin. Automatisierung von geotechnischen und
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Oktober 1997, ETH Zürich, Institut für Geotechnik.
[13] Triantafyllidis, Th., Neue Erkenntnisse aus Messungen an tiefen Baugruben am
Potsdamer Platz in Berlin, Bautechnik, 75 (1998), Vol. 3, S. 133-154.
[14] Winselmann, D., S-Bahnhof Potsdamer Platz, Berlin, Überwachung mit einem
automatischen, stationären Messsystem, Messen in der Geotechnik 1998, Mitteilung
des IGB·TUBS 2, Heft Nr. 55.
[15] Hulla, J., Grof, V., Uplatnenie inklinometrie a deformetrie pri rieseni geotechnickych
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Usti nad Labem, Ceska republika.
[16] Alonso, E., Lloret, A., An instrumented loading test on soft deltaic clays,
Weltweite Erfahrungen mit dem Gleitmikrometer in der Geotechnik, Beiträge zum
13. Christian Veder Kolloquium 1998.
[17] Thut, A., Geomechanische Instrumentierung und automatische Überwachung von
instabilen Hängen. 14. Blockkurs, September/Oktober 1999, ETH Zürich.
[18] Kovári, K., Methods of monitoring landslides, Vth[18] Kovári, K., Methods of monitoring landslides, Vth[18] Kovári, K., Methods of monitoring landslides, V International Symposium on
Landslides, Lausanne 1988.
[19] Amstad, Ch., Kovári, K., Deformationsmessungen bei Pfahlfundationen.
Weiterbildungskurs 12./13. März 1992, Neuere Erkenntnisse und Entwicklungen im
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[20] Smoltczyk, U., Hilmer, K.,Erddruck auf Schleusenkammerwände. Vorträge
Baugrundtagung, Nürnberg 1976.
Grundbau -Taschenbuch: Geotechnische Messverfahren 66
7. Literatur-Hinweise